小科普|功率MOSFET的開通和關斷過程

2021-01-08 泰科天潤半導體

本文就MOSFET的開關過程進行相關介紹與分析，幫助理解學習工作過程中的相關內容。首先簡單介紹常規的基於柵極電荷的特性，理解MOSFET的開通和關斷的過程，然後從漏極導通特性、也就是放大特性曲線，來理解其開通關斷的過程，以及MOSFET在開關過程中所處的狀態。

1、MOSFET開通和關斷過程

的寄生參數示意圖如圖1所示，開通過程如圖2所示。

圖1 功率MOSFET的開關模型

t0時刻前，MOSFET工作於截止狀態， t0時，MOSFET被驅動開通；

[t0-t1] 區間，MOSFET的GS電壓經Vdrive對Ciss充電而上升，在t1時刻，到達維持電壓Vth，MOSFET 開始導電。Vgs上升到VTH之前漏極電流Id≈0A，同時Vds的電壓保持VDD不變。

[t1-t2] 區間，MOSFET的DS電流Id增加，Vds仍然保持VDD，Vgs上升到米勒平臺電壓，Id電流也上升到負載電流最大值Id(max)，Vds電壓開始從VDD下降。

[t2-t3] 區間，t2時刻，MOSFET工作在飽和區，Vgs保持不變， 此期間，Cgs不再消耗電荷，VDD開始給Cgd提供放電電流。

[t3-t4] 區間，至t3時刻， MOSFET的Vds降至飽和導通時的電壓Vds= Id(max) × Rds(on)， 米勒電容Cgd變小並和GS電容Cgs一起由外部驅動電壓充電， Cgs的電壓上升，至t4 時刻Vgs=VDD為止，此時GS電容電壓已達穩態，MOSFET完成導通過程。

圖2 功率MOSFET的開通過程波形示意圖

功率MOSFET的關斷過程與開通過程相反，如圖3所示。

在米勒平臺區，驅動電路仍然對柵極提供驅動電流、仍然對柵極電容充電，為什麼柵極的電壓不上升？下面將基於漏極導通特性分析MOSFET開通過程，解釋米勒平臺區，柵極電壓不上升。

2、MOSFET漏極導通特性與開關過程

MOSFET的漏極導通特性如圖4所示，MOSFET與三極體一樣，當MOSFET應用於放大電路時，通常要使用此曲線研究其放大特性。只是三極體使用的基極電流、集電極電流和放大倍數，而MOSFET管使用柵極電壓、漏極電流和跨導。根據功率MOSFET輸出特徵，工作區也可以分為三個區：關斷區、線性區(恆流區)和可變電阻區。

圖4 MOSFET典型的漏極導通特性

當驅動開通脈衝加到MOSFET的G和S極時，Vgs的電壓逐漸升高時，MOSFET的開通軌跡A-B-C-D見圖5的路線所示。

圖5：功率MOSFET的開通軌跡

(1) 截止區

開通前MOSFET起始工作點位於圖5的右下角A點以下，Vgs的電壓逐漸升高，Id電流為0，Vgs的電壓從0上升到Vth，Id電流從0開始逐漸增大。

(2) 恆流區（線性區）

動態恆流區（線性區）就是圖中的A-B，也就是Vgs電壓從Vth增加到米勒平臺電壓Vgs(pl)的區間，從這個過程可以非常直觀的發現：MOSFET工作在恆流區，因為Vgs的電壓在變化，這個過程是一個動態恆流的過程，也就是Vgs電壓和Id電流自動找平衡的動態過程。Vgs電壓的變化伴隨著Id電流相應的變化，其變化關係就是MOSFET的跨導gfs：

在這個過程中，Vgs電壓保持不變（A-B垂直橫軸），Vgd的電壓為Vgs-Vds，為負壓，就是D的電壓高於G。當Id電流達到負載的最大允許電流ID(max)時，也就是圖3中的B點，MOSFET進入下一個工作區：米勒平臺區。

(3) 米勒平臺區

從B點開始，Vds開始下降，Vgd負電壓絕對值也開始下降，只要D極電壓開始變化，就會產生非常大的dv/dt，通過電容Crss，產生的電流為：

這個電流足夠大，可以將驅動電路能夠提供的電流都抽取過去，驅動電路的電流幾乎全部流過Crss（Cgd），以掃除Crss電容（米勒電容）存儲的電荷，這樣Cgs電容幾乎沒有電流流過，柵極電壓也就基本維持不變，可以看到Vgs在一段時間B-C內維持一個平臺電壓，這就是米勒平臺區。

在這個工作區，柵級對應的米勒平臺電壓，由系統的最大電流Id(max)和MOSFET的Vth、跨導來決定，滿足上面的公式。

隨著Vds電壓不斷的降低，Vgd的電壓絕對值也不斷的降低，在B-C的中間某一時刻，Vgd的電壓由負變為0，然後開始正向增加。當Vds電壓降低到最低值時，米勒電容的電荷基本上被全部掃除，即圖3中的C點，Vds的電壓不再變化，而且Crss電壓也正向增加到米勒平臺電壓。

從圖5可以看到，在米勒平臺區，Vgs電壓不是絕對的保持不變，而是應該有非常小、非常小的上升幅度，這樣的幅度可以忽略，因此基本上認定其電壓保持不變，MOSFET在一段穩定的時間內，處於相對穩定的恆流區，工作於放大狀態。

(4) 可變電阻區

圖5中C-D區為可變電阻區，此時Cgs、Cgd電壓相等都為米勒平臺電壓，Vds電壓不再變化，那麼Cgd就不再有dv/dt產生的抽取電流，因此驅動電路又開始對Ciss充電，Vgs電壓從米勒平臺電壓開始增加，直到達到驅動電壓的最大值。這個過程中，MOSFET導通壓降稍有降低，降低到最小值，基本上變化不大，導通壓降為漏極電流Id和導通電阻Rds(on)的乘積，這也是完全導通區。

結語

對於功率MOSFET的開通關斷的理解，有助於合理的功率MOSFET的驅動設計，以及開關損耗的理解和計算，幫助設計更優質的電源產品。

作者：Asianxll

相關焦點

  • 理解功率MOSFET的RDSON溫度係數特性
    功率MOSFET內部晶胞的等效模型在功率MOSFET的內部，由許多單元，即小的MOSFET晶胞並聯組成,在單位的面積上，並聯的MOSFET晶胞越多，MOSFET的導通電阻RDS(ON)就越小。同樣的，晶元的面積越大，那麼生產的MOSFET晶胞也就越多，MOSFET的導通電阻RDS(ON)也就越小。
  • 功率MOSFET管在過電流和過電壓條件下損壞形態的原因
    ，論述了功率MOSFET管分別在過電流和過電壓條件下損壞的模式，並說明了產生這樣的損壞形態的原因，也分析了功率MOSFET管在關斷及開通過程中，發生失效形態的差別，從而為失效是在關斷還是在開通過程中發生損壞提供了判斷依據。
  • 新人必看 功率器件MOSFET開關過程大揭秘
    想要弄清楚MOSFET的導通和關斷過程，首先需要做的一個步驟就是建立一個基礎的MOSFET電路模型。本文所建立的MOSFET開關模型，主要體現的是低導通值MOSFET寄生參數：G、D、S間的電容，CGS，CGD，CDS用於分析驅動過程；DS間的寄生三極體，分析漏極擾動對MOSFET的影響：一是內部三極體導通而雪崩，二是CGD耦合引起門極電位上升，使MOSFET誤導通。
  • MOS管的開通/關斷原理
    解MOS管的開通/關斷原理你就會發現，使用PMOS做上管、NMOS做下管比較方便。
  • 了解MOS管的開通/關斷原理
    打開APP 了解MOS管的開通/關斷原理 發表於 2020-04-04 16:36:00 了解MOS管的開通/關斷原理你就會發現，使用PMOS做上管、NMOS做下管比較方便。
  • 功率MOSFET輸出電容的非線性特性
    Ciss、Crss和Coss是功率MOSFET非常重要的三個動態參數，Ciss和Crss影響著開關過程中電壓和電流交疊的開關損耗，以及開關過程的dV/dt和di/dt；Coss影響電容關斷過程中的dV/dt，以及開通損耗。
  • MOSFET結構及其工作原理詳解
    其特點是用柵極電壓來控制漏極電流，驅動電路簡單，需要的驅動功率小，開關速度快，工作頻率高，熱穩定性優於GTR，但其電流容量小，耐壓低，一般只適用於功率不超過10kW的電力電子裝置。 2.功率MOSFET的結構和工作原理 功率MOSFET的種類：按導電溝道可分為P溝道和N溝道。
  • igbt驅動電壓和功率分別是多少
    在 +20 ℃情況下，實測 60 A ， 1200 V 以下的 IGBT 開通電壓閥值為 5 ～ 6 V ，在實際使用時，為獲得最小導通壓降，應選取 Ugc ≥ （1.5 ～ 3）Uge（th） ，當 Uge 增加時，導通時集射電壓 Uce 將減小，開通損耗隨之減小，但在負載短路過程中 Uge 增加，集電極電流 Ic 也將隨之增加，使得 IGBT 能承受短路損壞的脈寬變窄，因此 Ugc 的選擇不應太大
  • 絕緣柵雙極型電晶體原理小科普
    對於新人工程師而言，掌握絕緣柵雙極型電晶體原理知識是非常重要的，這將會對工程師日後的產品設計和研發工作提供極大的幫助。在今天的文章中，我們將會就絕緣柵雙極型電晶體原理知識展開基礎科普，希望能夠對各位新人工程師的學習提供一定的幫助。
  • 反激開關MOSFET源極流出的電流精細剖析
    由於變壓器需要在MOSFET導通期間存儲能量，磁芯應該開有氣隙,基於這種特殊的功率轉換過程，所以反激式轉換器可以轉換傳輸的功率有限，只是適合中低功率應用，如電池充電器、適配器和DVD播放器。，除了可以看到MOSFET在開通和關斷的過程中，均產生比較大的電壓和電流變化，而且可以看到MOSFET在開通和關斷的瞬間，產生一些震蕩和電流尖峰。
  • 深入理解功率MOSFET數據表中的各個參數
    在汽車電子的驅動負載的各種應用中,最常見的半導體元件就是功率MOSFET了。本文不準備寫成一篇介紹功率MOSFET的技術大全,只是讓讀者去了解如何正確的理解功率MOSFET數據表中的常用主要參數,以幫助設計者更好的使用功率MOSFET進行設計。　　數據表中的參數分為兩類:即最大額定值和電氣特性值。
  • 電動自行車控制器MOSFET驅動電路的設計
    本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/178610.htm1 MOSFET開關過程及MOSFET參數模型1.1 MOSFET開通過程MOSFET開通過程中的波形見圖1所示，其開通的過程可分為四個階段：
  • 反激式轉換器工作原理以及反激開關MOSFET源極流出的電流波形轉折...
    由於變壓器需要在MOSFET導通期間存儲能量，磁芯應該開有氣隙,基於這種特殊的功率轉換過程，所以反激式轉換器可以轉換傳輸的功率有限，只是適合中低功率應用，如電池充電器、適配器和DVD播放器。 圖3 不連續導通模式 圖4顯示了開關電源工作在DCM模式，實測的MOSFET電壓和電流工作波形，除了可以看到MOSFET在開通和關斷的過程中，均產生比較大的電壓和電流變化，而且可以看到MOSFET在開通和關斷的瞬間
  • 功率MOSFET的參數那麼多,實際應用中該怎麼選?
    在此，根據學到的理論知識和實際經驗，和廣大同行一起分享、探討交流下功率MOSFET的選型。由於相應理論技術文章有很多介紹MOSFET參數和性能的，這裡不作贅述，只對實際選型用圖解和簡單公式作簡單通俗的講解。另外，這裡的功率MOSFET應用選型為功率開關應用，對於功率放大應用不一定適用。
  • MOSFET的半橋驅動電路設計要領詳解
    Q1再次開通時，由於Q3體二極體的電荷恢復過程，體二極體不能很快關斷，因此體二極體中會有反向恢復電流（Irr）流過。由於Irr的變化很快，因此在Irr迴路中產生很高的di/dt。　　3 半橋驅動電路工作原理　　圖2所示為典型的半橋驅動電路。
  • 簡單的dv/dt控制技術降低IGBT開通損耗
    一個柵極驅動器的開通電流和關斷電流大小取決於柵極電阻的柵極電流。電流iOUT+給功率電晶體的柵極充電，而電流iOUT-給功率電晶體的柵極放電。啟用IC2晶片可以給柵極電流ig注入另一個分量iOUT+2從而一起參與開通過程。 如圖2所示，只有驅動晶片IC1可以用於關斷。
  • 單相半橋逆變電路工作過程
    在t2～t3期間，VT1的Ubl為低電平，VT2的Ub2為高電平，VT1關斷，流過L的電流突然變小，L馬上產生左正右負的電動勢，該電動勢通過VD2形成電流迴路，電流途徑是：L左正→R→C2→VD2→L右負，該電流方向仍是由右往左，但電流隨L上的電動勢下降而減小，在t3時刻電流I0變為0。
  • IGBT以及MOSFET的驅動參數的計算方法
    所需驅動功率驅動器是用來控制功率器件的導通和關斷。為了實現此功能，驅動器對功率器件的門極進行充電以達到門極開通電壓VGE_on，或者是對門極進行放電至門極關斷電壓VGE_off。門極電壓的兩種電平間的轉換過程中，在驅動器門極驅動電阻及功率器件組成的迴路中產生一定的損耗。這個參數我們稱為驅動功率PDRV。驅動器必須根據其所驅動的功率器件所需的驅動功率來選擇。
  • 功率MOS管燒毀的原因(米勒效應)
    （由截止到導通的過渡過程）、導通狀態、關斷過程（由導通到截止的過渡過程）、截止狀態。 Mos主要損耗也對應這幾個狀態，開關損耗（開通過程和關斷過程），導通損耗，截止損耗（漏電流引起的，這個忽略不計），還有雪崩能量損耗。只要把這些損耗控制在mos承受規格之內，mos即會正常工作，超出承受範圍，即發生損壞。而開關損耗往往大於導通狀態損耗，不同mos這個差距可能很大。