分析開關(guān)電源中MOS管開關(guān)的全過(guò)程

極限參數(shù)

ID：最大漏源電流。是指場(chǎng)效應(yīng)管正常工作時(shí)，漏源間所允許通過(guò)的最大電流。MOSFET的工作電流不應(yīng)超過(guò)ID。此參數(shù)會(huì)隨結(jié)溫度的上升而有所減額。

IDM：最大脈沖漏源電流。反映了器件可以處理的脈沖電流的高低，此參數(shù)會(huì)隨結(jié)溫度的上升而有所減小。

PD：最大耗散功率。是指場(chǎng)效應(yīng)管性能不變壞時(shí)所允許的最大漏源耗散功率。使用時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管實(shí)際功耗應(yīng)小于PDSM并留有一定余量。此參數(shù)一般會(huì)隨結(jié)溫度的上升而有所減額。

VGS：最大柵源電壓。是指柵源間反向電流開始急劇增加時(shí)的VGS值

Tj：最大工作結(jié)溫。通常為150℃或175℃，器件設(shè)計(jì)的工作條件下須確應(yīng)避免超過(guò)這個(gè)溫度，并留有一定裕量。

TSTG：存儲(chǔ)溫度范圍。

V(BR)DSS ：漏源擊穿電壓。是指柵源電壓VGS為0時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管正常工作所能承受的最大漏源電壓。加在場(chǎng)效應(yīng)管上的工作電壓必須小于V(BR)DSS。它具有正溫度特性。故應(yīng)以此參數(shù)在低溫條件下的值作為安全考慮。

V(BR)DSS/△Tj：漏源擊穿電壓的溫度系數(shù)，一般為0.1V/℃。

RDS(on）：在特定的VGS（一般為10V）、結(jié)溫及漏極電流的條件下，MOSFET導(dǎo)通時(shí)漏源間的最大阻抗。它是一個(gè)非常重要的參數(shù)，決定了MOSFET導(dǎo)通時(shí)的消耗功率。此參數(shù)一般會(huì)隨結(jié)溫度的上升而有所增大。故應(yīng)以此參數(shù)在最高工作結(jié)溫條件下的值作為損耗及壓降計(jì)算。

VGS(th)：開啟電壓（閥值電壓）。當(dāng)外加?xùn)艠O控制電壓VGS超過(guò)VGS(th)時(shí)，漏區(qū)和源區(qū)的表面反型層形成了連接的溝道。應(yīng)用中，常將漏極短接條件下ID等于1毫安時(shí)的柵極電壓稱為開啟電壓。此參數(shù)一般會(huì)隨結(jié)溫度的上升而有所降低。

IDSS：飽和漏源電流，柵極電壓VGS=0、VDS為一定值時(shí)的漏源電流。一般在微安級(jí)。

IGSS：柵源驅(qū)動(dòng)電流或反向電流。由于MOSFET輸入阻抗很大，IGSS一般在納安級(jí)。

gfs：跨導(dǎo)。是指漏極輸出電流的變化量與柵源電壓變化量之比，是柵源電壓對(duì)漏極電流控制能力大小的量度。

Qg：柵極總充電電量。MOSFET是電壓型驅(qū)動(dòng)器件，驅(qū)動(dòng)的過(guò)程就是柵極電壓的建立過(guò)程，這是通過(guò)對(duì)柵源及柵漏之間的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

Qgs：柵源充電電量。

Qgd：柵漏充電電量。

Ciss：輸入電容，將漏源短接，用交流信號(hào)測(cè)得的柵極和源極之間的電容 。Ciss= CGD + CGS 。對(duì)器件的開啟和關(guān)斷延時(shí)有直接的影響。

Coss：輸出電容，將柵源短接，用交流信號(hào)測(cè)得的漏極和源極之間的電容 。Coss = CDS +CGD 。

Crss：反向傳輸電容，在源極接地的情況下，測(cè)得的漏極和柵極之間的電容 Crss = CGD 。對(duì)于開關(guān)的上升和下降時(shí)間來(lái)說(shuō)是其中一個(gè)重要的參數(shù)。

Td(on)：導(dǎo)通延遲時(shí)間。從有輸入電壓上升到10%開始到VDS （Vout ）下降到其幅值90%的時(shí)間(如下圖示)。

Tr：上升時(shí)間。輸出電壓VDS （Vout ）從90%下降到其幅值10%的時(shí)間。

Td(off)：關(guān)斷延遲時(shí)間。輸入電壓下降到90%開始到VDS （Vout ）上升到其關(guān)斷電壓時(shí)10%的時(shí)間。

Tf：下降時(shí)間。輸出電壓VDS （Vout ）從10%上升到其幅值90%的時(shí)間，參照下圖所示。

雪崩擊穿參數(shù)

如果電壓超過(guò)漏源極限電壓將導(dǎo)致器件處在雪崩狀態(tài)

EAS：?jiǎn)未蚊}沖雪崩擊穿能量，說(shuō)明MOSFET所能承受的最大雪崩擊穿能量

IAR：雪崩電流

EAR：重復(fù)雪崩擊穿能量

體內(nèi)二極管參數(shù)

IS：連續(xù)最大續(xù)流電流（從源極）

ISM：脈沖最大續(xù)流電流（從源極）

VSD：正向?qū)▔航?/p>

Trr：反向恢復(fù)時(shí)間

Qrr：反向恢復(fù)充電電量

Ton：正向?qū)〞r(shí)間（基本可以忽略不計(jì)）

POWER MOSFET 等效模型

POWER MOSFET 寄生參數(shù)

MOS管的驅(qū)動(dòng)

在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)之前，必須先清楚MOS管的模型、MOS管的開關(guān)過(guò)程、MOS管的柵極電荷以及MOS管的輸入輸出電容、跨接電容、等效電容等參數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)的影響。驅(qū)動(dòng)電路的好壞直接影響了電源的工作性能及可靠性，一個(gè)好的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的基本要求是：

l開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)能提供足夠大的充電電流使柵源電壓上升到需要值，保證開關(guān)管快速開通且不存在上升沿的高頻震蕩。

l開關(guān)管導(dǎo)通期間驅(qū)動(dòng)電路能保證MOSFET柵源間電壓保持穩(wěn)定使其可靠導(dǎo)通。

l關(guān)斷瞬間驅(qū)動(dòng)電路能提供一個(gè)低阻抗通路供MOSFET柵源間電壓快速瀉放，保證開關(guān)管能快速關(guān)斷。

l關(guān)斷期間驅(qū)動(dòng)電路可以提供一定的負(fù)電壓避免受到干擾產(chǎn)生誤導(dǎo)通。

l驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，最好有隔離 。

POWER MOSFET 驅(qū)動(dòng)保護(hù)

POWER MOSFET 驅(qū)動(dòng)電阻的影響

驅(qū)動(dòng)電阻增大，驅(qū)動(dòng)上升變慢，開關(guān)過(guò)程延長(zhǎng)，對(duì)EMI有好處，但是開關(guān)損耗會(huì)增大，因此選擇合適的驅(qū)動(dòng)電阻很重要。

幾種常見的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

l不隔離互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路

由于MOSFET為電壓型驅(qū)動(dòng)器件，當(dāng)其關(guān)斷時(shí)，漏源兩端的電壓的上升會(huì)通過(guò)結(jié)電容在柵源兩端產(chǎn)生干擾電壓，如圖所示的電路不能提供負(fù)電壓，因此其抗干擾性較差，有條件的話可以將其中的地?fù)Q成-Vcc，以提高抗干擾性及提高關(guān)斷速度。

l隔離驅(qū)動(dòng)電路

（1）正激驅(qū)動(dòng)電路

該驅(qū)動(dòng)電路的導(dǎo)通速度主要與被驅(qū)動(dòng)S1柵源極等效輸人電容的大小、Q1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的速度以及Q1所能提供的電流大小有關(guān).

優(yōu)點(diǎn)：

電路簡(jiǎn)單，并實(shí)現(xiàn)了隔離驅(qū)動(dòng)。

只需單電源即可提供導(dǎo)通時(shí)的正電壓及關(guān)斷時(shí)的負(fù)電壓。

占空比固定時(shí)，通過(guò)合理的參數(shù)設(shè)計(jì)，此驅(qū)動(dòng)電路也具有較快的開關(guān)速度。

缺點(diǎn)：

由于變壓器副邊需要一個(gè)較大的防振蕩電阻，該電路消耗比較大。

當(dāng)占空比變化時(shí)關(guān)斷速度變化加大。 脈寬較窄時(shí)，由于儲(chǔ)存的能量減少導(dǎo)致MOSFET關(guān)斷速度變慢

（2）有隔離變壓器互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路

優(yōu)點(diǎn)：

電路簡(jiǎn)單可靠，具有電氣隔離作用。當(dāng)脈寬變化時(shí)，驅(qū)動(dòng)的關(guān)斷能力不會(huì)隨著變化。 

該電路只需一個(gè)電源，隔直電容C的作用在關(guān)斷時(shí)提供一個(gè)負(fù)壓，從而加速了功率管的關(guān)斷，有較高的抗干擾能力。

缺點(diǎn)：

輸出電壓幅值會(huì)隨著占空比變化而變化。當(dāng)D較小時(shí)，負(fù)電壓較小，抗干擾能力變差，同時(shí)正向電壓高，應(yīng)注意不要超過(guò)柵源允許電壓；當(dāng)D大于0.5時(shí)，正向電壓降低，負(fù)電壓升高，應(yīng)注意使其負(fù)電壓不要超過(guò)柵源允許電壓 。

此時(shí)副邊繞組負(fù)電壓值較大，穩(wěn)壓二極管Z2的穩(wěn)壓值為所需的負(fù)向電壓值，超過(guò)部分電壓降在電容C2上。

MOSFET導(dǎo)通過(guò)程詳細(xì)分析

T0~T1：驅(qū)動(dòng)通過(guò)RGATE對(duì)Cgs充電，電壓Vgs以指數(shù)的形式上升

T1~T2：Vgs達(dá)到MOSFET開啟電壓，MOSFET進(jìn)入線性區(qū)，Id緩慢上升，至T2時(shí)刻Id到達(dá)飽和或是負(fù)載最大電流。在此期間漏源極之間依然承受近乎全部電壓Vdd 。

T2~T3：T2時(shí)刻 Id達(dá)到飽和并維持穩(wěn)定值，MOS管工作在飽和區(qū)，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(xù)給Cgs充電，直至Vgs=VDD，MOSFET完成導(dǎo)通過(guò)程。

重要說(shuō)明

Vgs的各個(gè)階段的時(shí)間跨度同柵極消耗電荷成比例（因△Q= IG△T，而IG在此處為恒流源之輸出）。

T0~ T2跨度代表了Ciss（VGS+ CGD）所消耗的電荷，對(duì)應(yīng)于器件規(guī)格書中提供的參數(shù)Qgs(Gateto Source Charge)。

T2~ T3跨度代表了CGD（或稱為米勒電容）消耗的電荷，對(duì)應(yīng)于器件規(guī)格書中提供的參數(shù)Qds(Gateto Drain (“Miller”) Charge)。

T3時(shí)刻前消耗的所有電荷就是驅(qū)動(dòng)電壓為Vdd、電流為Id的MOSFET所需要完全開通的最少電荷需求量。T3以后消耗的額外電荷并不表示驅(qū)動(dòng)所必須的電荷，只表示驅(qū)動(dòng)電路提供的多余電荷而已。

開關(guān)損失：在MOSFET導(dǎo)通的過(guò)程中，兩端的電壓有一個(gè)下降的過(guò)程，流過(guò)的電流有一個(gè)上升的過(guò)程，那么這段時(shí)間里，MOS管損失的是電壓和電流的乘積，稱為開關(guān)損失。

導(dǎo)通損耗： MOS管在導(dǎo)通之后，電流在導(dǎo)通電阻上消耗能量，稱為導(dǎo)通損耗

整體特性表現(xiàn)：

驅(qū)動(dòng)電量要求：

△Q t0 ~ t4= (t4－t0 )IG = VG（CGS + CGD）+ VDDCGD

驅(qū)動(dòng)電流要求：

IG=△Q t0 ~ t4 /(t4－t0)≈△Q t0 ~ t3 / (t3－t0)≈Qg/(Td(on) + Tr)

驅(qū)動(dòng)功率要求：

Pdrive=∫t4－t0 vg(t)ig(t)≈VG△Q≈VG〔VG（CGS+CGD）+ VDDCGD〕

驅(qū)動(dòng)電阻要求：

RG =VG / IG

一般地可以根據(jù)器件規(guī)格書提供的如下幾個(gè)參數(shù)作為初期驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的計(jì)算假設(shè)

a)  Qg(Total Gate Charge)：作為最小驅(qū)動(dòng)電量要求。

b)相應(yīng)地可得到最小驅(qū)動(dòng)電流要求為IG≈Qg/(td(on)+tr)。

c)Pdrive=VG*Qg作為最小驅(qū)動(dòng)功率要求。

d)相應(yīng)地，平均驅(qū)動(dòng)損耗為VG*Qg*fs 

MOSFET關(guān)斷過(guò)程

MOSFET關(guān)斷過(guò)程是開通過(guò)程的反過(guò)程

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