功率器件MOSFET開關(guān)過程大揭秘

功率器件MOSFET作為一種在開關(guān)電源新產(chǎn)品研發(fā)過程中不可或缺的重要元件，歷來是新人工程師開始接觸電源設(shè)計(jì)時(shí)的學(xué)習(xí)重點(diǎn)之一，而弄清楚MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷過程則是重中之重。本文將會(huì)就功率MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷過程進(jìn)行詳細(xì)分析和總結(jié)。

MOSFET導(dǎo)通過程

想要弄清楚MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷過程，首先需要做的一個(gè)步驟就是建立一個(gè)基礎(chǔ)的MOSFET電路模型。本文所建立的MOSFET開關(guān)模型，主要體現(xiàn)的是低導(dǎo)通值MOSFET寄生參數(shù)：G、D、S間的電容，CGS，CGD，CDS用于分析驅(qū)動(dòng)過程;DS間的寄生三極管，分析漏極擾動(dòng)對MOSFET的影響：一是內(nèi)部三極管導(dǎo)通而雪崩，二是CGD耦合引起門極電位上升，使MOSFET誤導(dǎo)通。

在本文所建立的這一MOSFET參考模型中，模型內(nèi)所描述的體內(nèi)寄生三極管中還特別包含一個(gè)重要的寄生器件，體二極管。體二極管是MOSFET制成工藝中產(chǎn)生的不可避免的副產(chǎn)品，它和普通的PN結(jié)型二極管一樣有難以克服的反向恢復(fù)時(shí)間tf。在高速同步整流應(yīng)用中，tf直接影響開關(guān)管的性能和損耗。

圖1 MOSFET開關(guān)模型

首先來看功率器件MOSFET的導(dǎo)通過程，在本文所建立的這一開關(guān)模型中執(zhí)行到銅操作，此時(shí)PWM高電平信號(hào)經(jīng)過功率放大轉(zhuǎn)換，對門極充電。一路電流是為CGS充電，電流經(jīng)過源極，負(fù)載回到地。另一路是為CGD充電。CGS上的電位逐漸上升，充滿到達(dá)門極開啟電壓時(shí)，DS溝道間開始出現(xiàn)電流，第一階段結(jié)束，如圖2所示的1，2時(shí)間段。第二階段主要對電容CGD充電，VDS電壓開始下降，門極電壓不再上升，CGD表現(xiàn)為米勒電容，容量放大接近20倍，這階段溝道電流和電壓同時(shí)存在也是開關(guān)損耗的時(shí)期，如圖2所示的第3時(shí)間段。

當(dāng)MOSFET器件內(nèi)的門極電壓被建立起來后，此時(shí)器件內(nèi)部的VDS電壓將會(huì)下降到最小值，由于MOSFET的控制電子與溝道電流完全隔離，一旦MOSFET開啟后，門極只流過納安級的電流，驅(qū)動(dòng)電流可以忽略。

圖2 MOSFET導(dǎo)通波形圖

下面我們以這一MOSFET的導(dǎo)通過程為例，具體分析一下當(dāng)這一器件在開關(guān)頻率為250KHz條件下時(shí)，其門極電壓從0v上升到10v在tr時(shí)間內(nèi)的所需的平均電流。在這一條件下，選用AOD436，則N-MOSFET13mOhm@Vgs=4.5V，設(shè)計(jì)要求驅(qū)動(dòng)時(shí)間tr為15ns，則充滿CGS所需電流I1為該時(shí)間電容電壓變化的微分，此時(shí)有公式為：

當(dāng)輸入電流完成對功率器件CGD電容的充電后，此時(shí)漏極導(dǎo)通，則電容D、S間的電壓由供電電壓VIN下降到導(dǎo)通壓降。認(rèn)為導(dǎo)通壓降VDS足夠小，這樣CDS兩端的壓降為VIN+VGS，此時(shí)有公式：

通過對上文中所提供的驅(qū)動(dòng)電流公式進(jìn)行計(jì)算，我們可以得出結(jié)論，此時(shí)總的驅(qū)動(dòng)電流Ig=IGS+IGD。盡管門極輸入電流可達(dá)5-8A，但持續(xù)時(shí)間只有15ns，這就要求驅(qū)動(dòng)電路在開啟MOSFET時(shí)有足夠的電荷釋放能力。同樣關(guān)斷MOSFET時(shí)，門極上的電荷要快速泄放，除了有放電回路外，驅(qū)動(dòng)電路還有吸電流能力，保證MOSFET快速關(guān)斷，減少開關(guān)損耗。

MOSFET關(guān)斷過程

在了解了功率器件MOSFET的導(dǎo)通過程后，其關(guān)斷過程的分析就顯得相對容易了一些。當(dāng)這一器件被執(zhí)行關(guān)斷操作時(shí)，此時(shí)器件中的門極電容放電，電壓下降至米勒平臺(tái)時(shí)，VDS電壓上升到輸入電壓。門極電壓降到開啟電壓時(shí)，溝道電流消失，關(guān)斷結(jié)束。

在執(zhí)行關(guān)斷操作的過程中，由于MOSFET的門極電荷需要在短時(shí)間內(nèi)放空，因此驅(qū)動(dòng)電路不僅要提供放電回路，還需要具備快速吸電流能力。門極的電容電荷累積極易造成靜電損壞，快速放電回路也是保證開關(guān)管安全的重要措施。但是VDS快速關(guān)斷帶來的負(fù)面影響是漏極di/dt引起的電壓尖峰，正如前面分析的它可能帶來門極的誤導(dǎo)通和MOSFET內(nèi)部寄生三極管導(dǎo)通而失效。

圖3 MOSFET關(guān)斷時(shí)，漏極的振蕩波形

以上就是本文針對功率器件MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷過程所進(jìn)行的總結(jié)和分析，希望通過本文的分享，對各位新人工程師的學(xué)習(xí)帶來一些幫助。