对MOS管开通过程进行详细的分析

2023-3-22 14:52:34 1109 MOS管驱动电路 MOSFET 开关电源

0 　　最近在项目上遇到MOSFET关机出现振荡的情况，在解决问题的过程中发现——当前的电子产品基本上已经离不开MOSFET这个器件了。比如，使用MOS管做防反接的电路，使用MOS管做开关电源的开关管，使用MOSFET进行电平转换等等。毫不夸张的说，MOSFET这个器件已经深入到电子产品的每一个角落。　　介绍MOS管以前，有几个常见的名字需要了解一下：　　FET： Field Effect Transistor ，场效应晶体管。　　MOSFET： Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管。　　耗尽层：在PN结附近，其中的载流子因扩散而耗尽，只留下不能移动的正负离子的区域，又称空间电荷区。P型半导体和N型半导体接触形成的空间电荷区就是耗尽层。　　反型层：反型层就是P型半导体本来多子是空穴，但是形成一个层，里面空穴没有了，出现了大量电子。　　看到下面这张图是不是很熟悉。　　但是我觉得还可以从MOSFET的半导体原理出发来，详细分析MOS管的开通。分析MOS管的开通过程时，需要使用它的等效模型，如下图所示：　　另外，还需要结合MOS管半导体原理，如下图所示：　　使用multisim软件对MOS管的开通过程进行仿真，可以得到下面的曲线　　从仿真可以看出，Vgs有一个很明显的平台区，这个平台区就是大家所熟知的米勒平台区，它会影响MOS管的开通和关断过程。对于这个平台区，在开关电源中会引起较大的开关损耗，这是它不利的一面；但是在EMI超标的时候，适当的增加Cgd电容，延长MOS管的开通过程，又可以用来降低EMI。　　在分析MOS管的开通过程，还需要结合MOS管的转移特性和输出特性以及实际的电路进行分析。　　以12V的驱动电压，Vth为4.5V，开通Vds电压为24V的MOS管为例。　　在t0~t1阶段：Vds=24V，Vgs=0V，此时MOS管由于Vgs小于Vth，在P区衬底和N型参杂区等效是两个反向的二极管，MOS管处于截止状态。　　开通的波形如下图所示：　　在t1~t2阶段：Vgs电压开始上升，在它上升的过程中，栅极下面的出现了两种状态。Vgs刚加上时，会将衬底P区的空穴排斥到下面，但是里面的电子并不能移动，此时就形成了耗尽层。随着Vgs的增加，P区下面的电子会被栅极的电场吸引到耗尽层，这时候耗尽层由于自由电子的增加，变成了反型层。反型层的生成就将源极和漏极连通了，也就形成了导电沟道，此时的Vgs电压就是Vth。　　上面的分析是基于Vds=0V的状态，但是由于现在MOS管的Vds=24V，即使源极和漏极之间形成了反型层，但是由于Vds之间存在电压，且比较大，会直接将沟道夹断。目前能找的很多资料基本都是讲Vds从0开始增加，增加到一定值时才会形成“预夹断区”。实际在正常使用MOS管的时候，Vds往往承受的电压是比较大的。　　MOS管的Vgs没有达到开通阈值电压时，MOS管处于截止状态很好理解。但是在正常开通一个MOS管的时候，当Vgs电压刚刚大于Vth时，此时Vds已经非常大，大到可以直接将刚刚形成的导电沟道夹断，即出现了开通就夹断的状态。　　开通的波形如下图所示：　　在t2~t3阶段：随着Vgs进一步增大，此时MOS管处于开通状态，Id电流开始上升，直到MOS管将Cgs的电容的电充满。Vds由于还是处在超过了预夹断电压的的状态，因此，即使Id的电流达到了饱和值，但是由于夹断区的存在，Vds的电压还是会保持在24V。　　开通波形如下图所示：　　下图所示在栅极和漏极靠近的位置出现了夹断区。　　在t3~t4阶段：影响MOS管开通很重要的一部分就是在t3~t4阶段，也就是所谓的米勒平台区。结合MOS管开通的过程，米勒平台要给cgd电容充电的根本原因是Vgd的电压太高，远远超过了Vgs-Vth的值。由于Vds与Vgs-Vth的值是判断MOS管形成的沟道是否被夹断的电压阈值。在Vds=24V，Vgs=9V的条件下（假设在此处形成米勒平台），明显Vds》Vgs-Vth。　　现在要使MOS管开通，必然要改变Vgd（Vgd=Vgs-Vds）的电压，使Vgd《Vth，才能使导电沟道退出夹断状态，连通Vgd电压的正是米勒电容Cgd。因此，在米勒平台区发生了一件事，驱动电压给Cgd电容充电，将Vgd的电容的电压从上正下负，变成了下正上负。　　在给Cgd电容充电的过程中，相当于降低了MOS管的Rdson电阻，Vds的电压开始下降，直到沟道内的内阻，Vgs处的电场，沟通内的电子处于平衡状态时，Cgd电容充电结束，Vgs的电压随后上升，但是Vds的电压和Id的电流不会改变。　　开通波形如下图所示：　　在t4~t5阶段：Vgs的电压达到驱动电压12V的幅值，整个开通的过程到此结束。　　从上述的MOS管开通的过程可以看出，需要重点关注的就是t1~t2，t2~t3这两个阶段，非常多的问题都是出在这两个过程中。　　如果驱动电路设计的不合理，可能会出现MOS管无法开通或者是误导通的情况。如果米勒平台区的时间太长，会导致MOS管由于电压和电流重叠区的时间较长，导致MOS管发热严重，既会导致MOS管被热击穿，还会使整个系统的效率下降。原作者：零下12度半大话硬件 1
2023-3-22 14:52:34　　评论淘帖0 举报相关推荐 • MOS管的开通过程 7786 • MOS管开通过程的米勒效应及应对措施 3324 • 浅谈MOS管开通过程的米勒效应及应对措施 9448 • N沟道增强型MOS管的工作区间及开通过程分析 3481 • MOS管的导通条件 MOS管的导通过程 6235 • MOS管的开通/关断原理 6239 • MOS管的开通/关断原理 4450 • IGBT的开通过程 4921 • 说说IGBT的开通过程 2831 • MOS管的开通/关断原理详解 3897