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基于漏極導(dǎo)通區(qū)特性來理解MOSFET的開關(guān)過程

作者: 時間:2016-12-07 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  MOSFET極電荷特性與開關(guān)過程

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201612/327359.htm

  盡管 MOSFET 在開關(guān)電源、電機控制等一些電子系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用,但是許多電子工程師并沒有十分清楚的理解 MOSFET 開關(guān)過程,以及 MOSFET 在開關(guān)過程中所處的狀態(tài)。一般來說,電子工程師通?;跂艠O電荷理解 MOSFET 的開通的過程,如圖 1 所示。此圖在 MOSFET 數(shù)據(jù)表中可以查到。

  MOSFET的D和S極加電壓為VDD,當驅(qū)動開通脈沖加到MOSFET的G和S極時,輸入電容Ciss充電,G和S極電壓Vgs線性上升并到達門檻電壓VGS(th),Vgs上升到VGS(th)之前漏極電流Id ≈0A,沒有漏極電流流過,Vds的電壓保持VDD不變。

  當Vgs到達VGS(th)時,漏極開始流過電流Id,然后Vgs繼續(xù)上升,Id也逐漸上升,Vds仍然保持VDD。當Vgs到達米勒平臺電壓VGS(pl)時,Id也上升到負載電流最大值ID,Vds的電壓開始從VDD下降。

  米勒平臺期間,Id電流維持ID,Vds電壓不斷降低。

  米勒平臺結(jié)束時刻,Id電流仍然維持ID,Vds電壓降低到一個較低的值。米勒平臺結(jié)束后,Id電流仍然維持ID,Vds電壓繼續(xù)降低,但此時降低的斜率很小,因此降低的幅度也很小,最后穩(wěn)定在Vds = Id × Rds(on)。因此通??梢哉J為米勒平臺結(jié)束后MOSFET基本上已經(jīng)導(dǎo)通。

  對于上述的過程,理解難點在于為什么在米勒平臺區(qū),Vgs的電壓恒定?驅(qū)動電路仍然對柵極提供驅(qū)動電流,仍然對柵極電容充電,為什么柵極的電壓不上升?而且柵極電荷特性對于形象的理解MOSFET的開通過程并不直觀。因此,下面將基于漏極導(dǎo)通特性解MOSFET開通過程。

  MOSFET的漏極導(dǎo)通特性 與開關(guān)過程

  MOSFET 的漏極導(dǎo)通特性如圖 2 所示。MOSFET 與三極管一樣,當 MOSFET 應(yīng)用于放大電路時,通常要使用此曲線研究其放大特性。只是三極管使用的基極電流,集電極電流和放大倍數(shù),而 MOSFET 管使用柵極電壓,漏極電流和跨導(dǎo)。

  三極管有三個工作區(qū):截止區(qū),放大區(qū)和飽和區(qū),而 MOSFET 對應(yīng)是是關(guān)斷區(qū),恒流區(qū)和可變電阻區(qū)。注意到:MOSFET 恒流區(qū)有時也稱飽和區(qū)或放大區(qū)。當驅(qū)動開通脈沖加到 MOSFET 的 G 和 S 極時,Vgs的電壓逐漸升高時,MOSFET 的開通軌跡 A-B-C-D 見圖 3的路線所示。

  開通前,MOSFET 起始工作點位于圖 3 的右下角 A 點,AOT460 的 VDD電壓為 48V,Vgs的電壓逐漸升高,Id電流為 0,Vgs的電壓到 VGS(th),Id電流從 0 開始逐漸增大。

  A-B 就是 Vgs的電壓從 VGS(th 增加到 VGS(pl)的過程。從 A 到 B 點的過程中,可以在非常直觀的發(fā)現(xiàn),此過程工作于 MOSFET 的恒流區(qū),也就是 Vgs電壓和 Id電流自動找平衡的過程,即:Vgs電壓的變化伴隨著 Id電流相應(yīng)的變化,其變化關(guān)系就是 MOSFET 的跨導(dǎo):

  當 Id電流達到負載的最大允許電流 ID時,此時對應(yīng)的柵級電壓。由于此時 Id電流恒定,因此柵極 Vgs電壓也恒定不變,見圖 3 中的 B-C,此時 MOSFET 處于相對穩(wěn)定的恒流區(qū),工作于放大器的狀態(tài)。

  開通前,Vgd的電壓為 Vgs-Vds,為負壓,進入米勒平臺,Vgd的負電壓絕對值不斷下降,過 0 后轉(zhuǎn)為正電壓。驅(qū)動電路的電流絕大部分流過 CGD,以掃除米勒電容的電荷,因此柵極的電壓基本維持不變。Vds電壓降低到很低的值后,米勒電容的電荷基本上被掃除,即圖 3中的 C 點,于是,柵極的電壓在驅(qū)動電流的充電下又開始升高,見圖 3 中的 C-D,使 MOSFET進一步完全導(dǎo)通。

  C-D 為可變電阻區(qū),相應(yīng)的 Vgs電壓對應(yīng)著一定的 Vds電壓。Vgs電壓達到最大值,Vds電壓達到最小值,由于 Id電流為 ID恒定,因此 Vds的電壓即為 ID和 MOSFET 的導(dǎo)通電阻的乘積。

  結(jié)論

  基于 MOSFET 的漏極導(dǎo)通特性曲線可以直觀的理解 MOSFET 開通時,跨越關(guān)斷區(qū)、恒流區(qū)和可變電阻區(qū)的過程。米勒平臺即為恒流區(qū),MOSFET 工作于放大狀態(tài),Id電流為 Vgs電壓和跨導(dǎo)乘積。



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