还不懂MOSFET打开的过程?一篇搞懂!
硬件十万个为什么 2024-06-14

由于MOSFET的寄生电容的存在,所以MOSFET作为一个开关管并不理想的。在工作的时候,其打开的过程不是一帆风顺。为 了能够观察到一些瞬态现象,我们用Saber软件搭建了一个仿真电路,如图所示。


将驱动信号设置为一个接近理想的脉冲信号,如图所示。

在仿真软件中,我们把这个脉冲信号源设置为高电平8V,上升时间0.1ms,下降时间0.1ms,为了便于观察,把脉冲宽度设置为3ms,周期为 20ms。从时域上可以看到,基本是一个理想的方波 形状。为了加大MOSFET寄生电容对打开过程的影响,我们在理想 的 MOSFET 模型的三个极之间增加了三个电容。我们选择比较大的电容值,以便在波形上更明显地体现出其特性。特别是CGD的 选值比较大,这样VGS的特性从时域上观察更加明显,就是上升的 过程中有个台阶,如图所示。


在MOSFET打开过程中,涉及到的几个变量,我们定义如下:

Vth——MOSFET的GS极之间开启阈值电压,这个阈值电压(Gate-source threshold voltage),完整的标记为VGS(th),是MOSFET的重要参数之一,一般简单标记为Vth,定义为可以在源极和漏极之间形成导电沟道的最小栅极偏压。在描述不同的器件时具有不同的参数。

VGP——米勒台阶电压是指在MOSFET开关过程中,栅极电压在一定时间内保持稳定的电压值。在这个时间段内,栅极电压不随着栅极电流的变化而变化。

VDD——MOSFET关断时,D和S之间施加的电压。

MOSFET从关闭到完全导通可以分为下面几个阶段。

(1)第一阶段(t1):在 VGS还没到来之前的阶段,此时 MOSFET 完全没有打开,电路本质就是一个RC充放电电路,如图所示。


这个阶段ID(D级电流)还等于0,也就是说MOSFET一点也没打开,处于截止状态。VGS的上升曲 线就是一个RC充放电的上升曲线。(2)第二阶段(t2):MOSFET开始“松动”了,也就是ID开始增加,大于0。ID开始按照一个压控电流源的形式和一定的斜率线性增加。第二阶段VGS正常上升,ID的增加对它没有大的影响。ID的增加由MOSFET 的一个放大区的特性决定,就是这个压控电流源的跨导。MOSFET 在这个阶段有漏极电流 开始流过,VDS仍然保持VDD

此上升斜坡持续直至第二阶段的结束时刻,电流 ID 达到饱和或达到负载最大电流。

故VGS会一直上升达到米勒平台电压VGP,此时已经是第二阶段结束时刻,之后就会进入第三阶段。在MOSFET选定的情况下,具体米勒平台电压值VGP跟ID的值相关。

在此期间漏 极-源极之间依然承受近乎全部电压VDD。第二阶段示意图和波形图所示。

(3)第三阶段(t3):MOSFET工作于饱和 区,VGS被限制于固定值(MOSFET的传输特性)。故在此期间CGS不再消耗电荷,驱动电流转而流向CGD并给其充电。VDS由高压几乎变成0,这个 过程CGD的两端极性反转,所以IGCGD充电所需要的电荷比较大。在此区间由于VDS变化很大,虽然 相对于CGS而言CGD很小,但IGCrss上消耗的电荷却是一个不可忽略的数量。随着VDS下降,MOSFET逐渐进入于可变电阻区。开关控制的电压越大,则VDS的电压越大,第二阶段至第三阶段的时间(Va平 台持续时间)越长。第三阶段的波形图如图所示。


4)第四阶段(t4):在 IG 的继续充电下,VGS 又进入线性上升阶段。这时候漏极电压下降至 VDS =ID *RDS(on),此时MOSFET的工作状态进入了电阻区,栅极电压不再受漏极电流影响自由上升。VGS平台 的结束及第二次上升斜坡的开始表明器件在此时已完全开通。第四阶段时栅极电压等于驱动电路提 供的电压。第四阶段的波形图如图所示。

MOSFET的数据手册(datasheet)中常见的电容参数包括输入电容(Ciss)、输出电容(Coss)和反向传输电容(Crss)。这些参数与MOSFETCgdCdsCgs电容有关,但没有直接列出CgdCgs的值。

Ciss(输入电容):

输入电容是从栅极到源极的总电容(我们一般通过控制GS之间的电压VGS作为输入,所以对于这个输入电压来说的电容,交流模型我们记为Vgs),包含了栅-源电容(Cgs)和栅-漏电容(Cgd)的一部分,定义为:

Ciss=Cgs+Cgd

·  Coss(输出电容):

  • 输出电容是从漏极到源极的总电容,包含了漏-源电容(Cds)和栅-漏电容(Cgd)的一部分,定义为:

Coss=Cds+Cgd

·  Crss(反向传输电容,也被称作米勒电容,这个电容影响米勒平台的时间):反向传输电容是从栅极到漏极的电容,定义为:

Crss=Cgd

实际上,对一个功率MOSFET而言,这个频率是难以达到的,因为存在寄生电容。寄生电容导致 一个决定有限频率的时间常数,即

RGext 是指在外部电路中与MOSFET栅极串联的电阻,是由设计者在驱动电路中添加的电阻。

RGint 是指MOSFET内部的栅极电阻。它包括了MOSFET结构中的寄生电阻,例如半导体材料的电阻、接触电阻等。

因为在实际应用中总是存在感性负载,所以现在讨论在感性负载条件下的开关特性。图2.36为 感性负载下MOSFET的导通波形图。导通状态的特性参数如下。

要估算MOSFET打开的三个时段(开通延时时间td、上升时间tri和tfv),需要详细了解MOSFET的栅极驱动和开关行为。以下是每个时段的定义和估算方法:

  1. 开通延时时间td(t1)

定义:从施加栅极驱动信号到漏极电流开始显著上升的时间。这段时间内,栅极电压从0V上升到阈值电压Vth。

估算方法




2. 上升时间tri(t2)

定义:从漏极电流开始上升到达到稳定状态(通常为最大电流的90%)的时间。这段时间栅极电压从阈值电压Vth上升到接近驱动电压。


3.tfv:VDSV_{DS}电压下降时间

定义:漏源电压下降的时间,当续流二极管开始承受电压时,MOSFET上的电压下降,米勒电容(Cgd)开始充电。

综合考虑

综合上述时间,可以得到MOSFET打开的总时间:

这些公式只是近似估算,实际情况中可能会受到寄生参数、电路布线、电感等其他因素影响,因此实际测量数据和仿真是精确估算的必要手段。


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