其门极电压从0v上升到10v在tr时间内的所需的平均电流

2019-05-17 21:18字体:
  

图2 MOSFET导通波形图

其门极电压从0v上升到10v在tr时间内的所需的平均电流

当MOSFET器件内的门极电压被建立起来后,此时器件内部的VDS电压将会下降到最小值,由于MOSFET的控制电子与沟道电流完全隔离,一旦MOSFET开启后,门极只流过纳安级的电流,驱动电流可以忽略。

其门极电压从0v上升到10v在tr时间内的所需的平均电流

下面我们以这一MOSFET的导通过程为例,具体分析一下当这一器件在开关频率为250KHz条件下时,其门极电压从0v上升到10v在tr时间内的所需的平均电流。在这一条件下,选用AOD436,则N-MOSFET13mOhm@Vgs=4.5V,设计要求驱动时间tr为15ns,则充满CGS所需电流I1为该时间电容电压变化的微分,此时有公式为:

通过对上文中所提供的驱动电流公式进行计算,我们可以得出结论,此时总的驱动电流Ig=IGS+IGD。尽管门极输入电流可达5-8A,但持续时间只有15ns,这就要求驱动电路在开启MOSFET时有足够的电荷释放能力。同样关断MOSFET时,门极上的电荷要快速泄放,除了有放电回路外,驱动电路还有吸电流能力,保证MOSFET快速关断,减少开关损耗。

MOSFET关断过程

图3 MOSFET关断时,漏极的振荡波形

在本文所建立的这一MOSFET参考模型中,模型内所描述的体内寄生三极管中还特别包含一个重要的寄生器件,体二极管。体二极管是MOSFET制成工艺中产生的不可避免的副产品,它和普通的PN结型二极管一样有难以克服的反向恢复时间tf。在高速同步整流应用中,tf直接影响开关管的性能和损耗。

想要弄清楚MOSFET的导通和关断过程,首先需要做的一个步骤就是建立一个基础的MOSFET电路模型。本文所建立的MOSFET开关模型,主要体现的是低导通值MOSFET寄生参数:G、D、S间的电容,CGS,CGD,CDS用于分析驱动过程;DS间的寄生三极管,分析漏极扰动对MOSFET的影响:一是内部三极管导通而雪崩,二是CGD耦合引起门极电位上升,使MOSFET误导通。

当输入电流完成对功率器件CGD电容的充电后,此时漏极导通,则电容D、S间的电压由供电电压VIN下降到导通压降。认为导通压降VDS足够小,这样CDS两端的压降为VIN+VGS,此时有公式:

首先来看功率器件MOSFET的导通过程,在本文所建立的这一开关模型中执行到铜操作,此时PWM高电平信号经过功率放大转换,对门极充电。一路电流是为CGS充电,电流经过源极,负载回到地。另一路是为CGD充电。CGS上的电位逐渐上升,充满到达门极开启电压时,DS沟道间开始出现电流,第一阶段结束,如图2所示的1,2时间段。第二阶段主要对电容CGD充电,VDS电压开始下降,门极电压不再上升,CGD表现为米勒电容,容量放大接近20倍,这阶段沟道电流和电压同时存在也是开关损耗的时期,如图2所示的第3时间段。

在执行关断操作的过程中,由于MOSFET的门极电荷需要在短时间内放空,因此驱动电路不仅要提供放电回路,还需要具备快速吸电流能力。门极的电容电荷累积极易造成静电损坏,快速放电回路也是保证开关管安全的重要措施。但是VDS快速关断带来的负面影响是漏极di/dt引起的电压尖峰,正如前面分析的它可能带来门极的误导通和MOSFET内部寄生三极管导通而失效。

图1 MOSFET开关模型

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MOSFET导通过程

其门极电压从0v上升到10v在tr时间内的所需的平均电流

在了解了功率器件MOSFET的导通过程后,其关断过程的分析就显得相对容易了一些。当这一器件被执行关断操作时,此时器件中的门极电容放电,电压下降至米勒平台时,VDS电压上升到输入电压。门极电压降到开启电压时,沟道电流消失,关断结束。

功率器件MOSFET作为一种在开关电源新产品研发过程中不可或缺的重要元件,历来是新人工程师开始接触电源设计时的学习重点之一,而弄清楚MOSFET的导通和关断过程则是重中之重。本文将会就功率MOSFET的导通和关断过程进行详细分析和总结。

以上就是本文针对功率器件MOSFET的导通和关断过程所进行的总结和分析,希望通过本文的分享,对各位新人工程师的学习带来一些帮助。

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