功率MOSFET工作特性

qwqwqw2088

功率MOSFET工作特性 [复制链接]

本帖最后由 qwqwqw2088 于 2023-1-11 09:23 编辑

功率MOSFET的一些重要的特性是：

将MOSFET置于“导通”状态需要栅极电压高于一定的阈值电压，且没有静态电流消耗，功率增益是无限大的。但是，由于栅极是呈容性的，因此需要很大的电流才能快速导通（关断）；
高速开关需要大电流的驱动电路；
一旦MOSFET导通，漏源间电流可以在任意方向上流动。这对电路拓扑设计具有很大的影响，包括好和坏的方面；
高速开关电路的功率损耗主要有四个来源：

由栅极电容充放电所需电流带来的损耗VDRV×QG×fSW,主要存在于驱动电路中；

漏源导通时的导通损耗，IDS2×RDS(ON)×D；

开关转换器件电流和电压交越产生的转换损耗，½×VDS×ION×（tON+tOFF）×fSW；

导通时漏源电容放电造成的损耗，½×CDS×VDS2×fSW。

功率MOSFET的开关过程是多个状态的转换过程，可以借助下图的开关波形来进行描述，这是分析MOSFET开关过程比较直观的方法。

上面的示意图为栅极驱动器和MOSFET导通时的等效电路，即所谓的“钳位感性负载”应用。该测试电路假定驱动电路中的恒流源（向栅极间电容后）被钳位到一个固定的电压电平，这个模型能够模拟大多数（但不是全部）开关电源的应用。MOSFET的原理图包括等效的极间电容，它们是决定开关动作的主要因素。然而，这些电容通常在元件规格书数据表中找不到确切的值，行业中是通过其他方法定义的。行业中人为定义了CISS、CRSS、和COSS。因此，有必要计算真正的极间电容：

注意，CGD实质上是将变化的漏极电压耦合到栅极作为负反馈，从而抑制了快速开关，由于其值与所施加的电压成反比，这个作用进一步变得复杂化。一般行业中采用的近似方法是：

Specified是指规格书中定义的值（这是在一定的条件测量得到的，一般为25V），而Ckt max为实际电路中的电压值。图中右侧绘制了四个位置的波形：栅极电压VGS，栅极电流IC，漏极-源极电压VDS，以及在整个过程中的漏极电流波形ID，整个过程具体分析如下；

区间1：自这个时期开始，栅极驱动器导通，栅极电流开始对栅极电容充电，同时栅极电压开始上升。由于电流来自于一个低电压源，受到串联阻抗的限制，所以栅极电流随着栅极电压的升高而下降，在此期间没有其他事情发生。

区间2：当栅极电压达到导通阈值，开始有电流流过漏极达到源极。在此期间，漏极电流将增加，直到MOSFET流过所有的测试电流，从而漏极电压开始下降。在这段时间内，漏极电压却没有变化，栅极特性也没有改变。

区间3：随着漏极电压的降低，CGD电容的存在，栅极电流发生转移，并在漏极电压下降的时间内防止栅极电压进一步升高。

区间4：一旦漏极电压完成转换，电容CGD不再有电流流过，栅极电压现在可以上升到任何电压大小（这个取决于栅极驱动电路提供

的电压）。这个上升的栅极电压进一步增强了MOSFET的导通，使其达到最低的RDS（ON）值。同样，类似地要描述MOSFET关断过程，可以按照下图的等效原理图和波形进行分析。

再次可以看到在关断过程中也有类似的四个明显不同的区间，但是它们都很大程度上受到栅极驱动器电路特性的影响，在通常的应用中，栅极驱动电压相对于栅极阈值会提高到较高水平，以便让MOSFET充分导通得到最低的RDS（ON）。这个高驱动电压提供了一个相对较大的驱动电流，其导通时大小由（VDrive-VThreshold）/RGate决定。然而，在关断时，驱动器输出端口变成低电平，这意味着栅极驱动电流现为（-VThreshold）/RGate，这通常导致实际开关管关断过程缓慢。与开通相比，这些步骤仍然相同，但顺序相反：

区间1：CGS通过外部驱动电路进行放电，内部栅极电压回落到阈值电压电平，漏极没有任何变化。
区间2：栅极电压开始关断器件，CGD电容可以通过上升的漏极电压和栅极驱动允许的电流进行充电。同样，在此期间，栅极电压和电流都保持相对恒定，流经CGD的电流因受到RGate+RLO阻抗的影响，会减缓整个关断过程，当恒定的测试电流ID开始转移到钳位电路并远离MOSFET时，该区间结束。
区间3：当漏极电压达到测试电路的钳位电压时，CGD上的电流停止流动，栅极电压继续线性下降到阈值电压，器件开始关断。
区间4：当栅极电压低于阈值时，MOSFET完全关断，栅源极间电容完全放电完成时，此过程结束。

请注意，在此测试电路和许多SMPS应用中，导通和关断期间，漏极电压变化时漏极电流都是一直在流动。这导致每次转换时可能产生功率尖峰，一个自然的想法就是让驱动电路频率变得足够高（这样转换时间最小）。这是一个折中的过程，因为将功率器件中的转换损耗减小，则需要更高的驱动电流，这增加了驱动电路的损耗。由于这些开关损耗在每个开关周期都产生，所以驱动器件和功率开关中的总损耗随着开关频率线性地增加。