功率器件MOSFET開(kāi)關(guān)過(guò)程大揭秘

功率器件MOSFET作為一種在開(kāi)關(guān)電源新產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中不可或缺的重要元件，歷來(lái)是新人工程師開(kāi)始接觸電源設計時(shí)的學(xué)習重點(diǎn)之一，而弄清楚MOSFET的導通和關(guān)斷過(guò)程則是重中之重。本文將會(huì )就功率MOSFET的導通和關(guān)斷過(guò)程進(jìn)行詳細分析和總結。

MOSFET導通過(guò)程

想要弄清楚MOSFET的導通和關(guān)斷過(guò)程，首先需要做的一個(gè)步驟就是建立一個(gè)基礎的MOSFET電路模型。本文所建立的MOSFET開(kāi)關(guān)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用于分析驅動(dòng)過(guò)程;DS間的寄生三極管，分析漏極擾動(dòng)對MOSFET的影響：一是內部三極管導通而雪崩，二是CGD耦合引起門(mén)極電位上升，使MOSFET誤導通。

在本文所建立的這一MOSFET參考模型中，模型內所描述的體內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結型二極管一樣有難以克服的反向恢復時(shí)間tf。在高速同步整流應用中，tf直接影響開(kāi)關(guān)管的性能和損耗。

圖1 MOSFET開(kāi)關(guān)模型

首先來(lái)看功率器件MOSFET的導通過(guò)程，在本文所建立的這一開(kāi)關(guān)模型中執行到銅操作，此時(shí)PWM高電平信號經(jīng)過(guò)功率放大轉換，對門(mén)極充電。一路電流是為CGS充電，電流經(jīng)過(guò)源極，負載回到地。另一路是為CGD充電。CGS上的電位逐漸上升，充滿(mǎn)到達門(mén)極開(kāi)啟電壓時(shí)，DS溝道間開(kāi)始出現電流，第一階段結束，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(kāi)始下降，門(mén)極電壓不再上升，CGD表現為米勒電容，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(kāi)關(guān)損耗的時(shí)期，如圖2所示的第3時(shí)間段。

當MOSFET器件內的門(mén)極電壓被建立起來(lái)后，此時(shí)器件內部的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(kāi)啟后，門(mén)極只流過(guò)納安級的電流，驅動(dòng)電流可以忽略。

圖2 MOSFET導通波形圖

下面我們以這一MOSFET的導通過(guò)程為例，具體分析一下當這一器件在開(kāi)關(guān)頻率為250KHz條件下時(shí)，其門(mén)極電壓從0v上升到10v在tr時(shí)間內的所需的平均電流。在這一條件下，選用AOD436，則N-MOSFET13mOhm@Vgs=4.5V，設計要求驅動(dòng)時(shí)間tr為15ns，則充滿(mǎn)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：

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

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

MOSFET關(guān)斷過(guò)程

在了解了功率器件MOSFET的導通過(guò)程后，其關(guān)斷過(guò)程的分析就顯得相對容易了一些。當這一器件被執行關(guān)斷操作時(shí)，此時(shí)器件中的門(mén)極電容放電，電壓下降至米勒平臺時(shí)，VDS電壓上升到輸入電壓。門(mén)極電壓降到開(kāi)啟電壓時(shí)，溝道電流消失，關(guān)斷結束。

在執行關(guān)斷操作的過(guò)程中，由于MOSFET的門(mén)極電荷需要在短時(shí)間內放空，因此驅動(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(mén)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(kāi)關(guān)管安全的重要措施。但是VDS快速關(guān)斷帶來(lái)的負面影響是漏極di/dt引起的電壓尖峰，正如前面分析的它可能帶來(lái)門(mén)極的誤導通和MOSFET內部寄生三極管導通而失效。

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的導通和關(guān)斷過(guò)程所進(jìn)行的總結和分析，希望通過(guò)本文的分享，對各位新人工程師的學(xué)習帶來(lái)一些幫助。