5分鐘弄懂MOS管的導通過程和損耗分析

2021-02-24 雲腦智庫

一、MOSFET開通過程

T0~T1：驅動通過Rgate對Cgs充電，電壓Vgs以指數的形式上升

T2~T3：T2時刻 Id達到飽和並維持穩定值，MOS管工作在飽和區，Vgs固定不變， 電壓Vds開始下降。此期間Cgs不再消耗電荷， VDD開始給Cgd提供放電電流

T3~T4： 電壓Vds下降到0V，VDD繼續給Cgs充電，直至Vgs=VDD，MOSFET完成導通過程。

MOS管導通過程中的各電壓電流曲線如圖3所示，其中Vgs曲線有著名(臭名昭著)的米勒平臺，即Vgs在某段時間(t3-t2)內保持不變。

    我們知道MOS管是壓控器件，不同於三極體是流控器件，但是實際上MOS管在從關斷到導通的過程也是需要電流(電荷)的，原因是因為MOS管各極之間存在寄生電容Cgd，Cgs和Cds，如圖4所示。

      MOS管導通條件是Vgs電壓至少達到閾值電壓Vgs(th)，其通過柵極電荷對Cgs電容充電實現，當MOS管完全導通後就不需要提供電流了，即壓控的意思。

      這三個寄生電容參數值在MOS管的規格書中一般是以Ciss，Coss和Crss形式給出，其對應關係為：Cgd=Crss;Cds=Coss-Crss;Cgs=Ciss-Crss。

   在MOS管的規格書上一般還有如圖5所示的柵極充電曲線，其可以很好地解釋為何Vgs電壓會有米勒平臺。Vgs一開始隨著柵極電荷的增加而增加，但是當Vgs增加到米勒平臺電壓大小Vp時，即使柵極電荷繼續增加，Vgs也保持不變，因為增加的柵極電荷被用來給Cgd電容進行充電。因此，MOS管會有對應的Qgs，Qgd和Qg電荷參數，如圖6所示。

       

在t3之後，MOS管進入可變電阻區，米勒平臺結束，Vgs電壓在柵極電荷的驅動下繼續升高至最大值，Vds則電壓下降至最低值Rds(on)*Id。圖3 MOS管導通曲線的簡化版如圖8所示，分析問題時圖8已經足夠使用。MOS管關斷時的分析過程相反，其變化曲線如圖9所示。

  

  所謂開關損耗是指MOS管在開通和關斷過程中，電壓和電流不為0，存在功率損耗。由前述MOS管導通過程可知，開關損耗主要集中在t1~t3時間段內。而米勒平臺時間和MOS管寄生電容Crss成正比，其在MOS管的開關損耗中所佔比例最大，因此米勒電容Crss及所對應的Qgd在MOS管的開關損耗中起主導作用。因此對於MOS管的選型，不僅需要考慮柵極電荷Qg和柵極電阻Rg，也需要同時考慮Crss(Cgd)的大小，其同時也會在規格書的上升時間tr和下降時間tf參數上有間接反映，MOS管的關鍵參數如圖11所示。

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