MOSFET开关原理

“ 引言MOSFET – 是金属氧化物半导体场效应晶体管的首字母缩写词&＃xff0c;它是电子行业高频高效开关领域的关键组件。让人称奇的是&＃xff0c;FET 技术发明于1930 年&＃xff0c;比双极晶体管要早大约20 年。第一个信号级FET 晶体管诞生于20 世纪50 年代末期&＃xff0c;而功率MOSFET 则诞生于70 年代中期。如今&＃xff0c;从微处理器到“分立式”功率晶体管在内的各种现代电子组件均集成了数以百万计的MOSFET 晶体管。”

01

—

MOSFET技术简介

        双极晶体管和MOSFET 晶体管的工作原理相同。从根本上说&＃xff0c;这两种晶体管都是电荷控制器件&＃xff0c;这就意味着它们的输出电流与控制电极在半导体中形成的电荷成比例。将这些器件用作开关时&＃xff0c;都必须由能够提供足够灌入和拉出电流的低阻抗源来驱动&＃xff0c;以实现控制电荷的快速嵌入和脱出。从这一点来看&＃xff0c;在开关期间&＃xff0c;MOSFET 必须以类似于双极晶体管的形式进行“硬”驱动&＃xff0c;以实现可媲美的开关速度。从理论上来说&＃xff0c;双极晶体管和MOSFET 器件的开关速度几乎相同&＃xff0c;这取决于电荷载流子在半导体区域中传输所需的时间。功率器件的典型值大约为20 至200 皮秒&＃xff0c;具体取决于器件大小。

 优势&＃xff1a;1、 MOSFET 晶体管更加容易驱动&＃xff0c;因为其控制电极与导电器件隔离&＃xff0c;所以不需要连续的导通电流。

2、一旦MOSFET 晶体管开通&＃xff0c;它的驱动电流几乎为零。而且&＃xff0c;控制电荷大量减少&＃xff0c;MOSFET 晶体管的存储时间也相应大幅减少。这基本上消除了导通压降和关断时间之间的设计权衡问题&＃xff0c;而开通状态压降与控制电荷成反比。

02

—

关键参数

        当考虑MOSFET 开关模式工作时&＃xff0c;我们的目标是尽可能在最短的时间内在器件的最低和最高电阻状态间切换。由于MOSFET 的实际开关时间&＃xff08;大约为10ns 至60ns&＃xff09;至少要比理论开关时间&＃xff08;大约为50ps 至200ps&＃xff09;长两到三个数量级&＃xff0c;因此了解这种差异非常重要。所有模型都包含三个电容器&＃xff0c;分别连接在三个器件端子间。最后&＃xff0c;MOSFET 晶体管的开关性能取决于如何使得电压在这些电容器上快速地改变。

        因此&＃xff0c;在高速开关应用中&＃xff0c;最重要的参数是器件的寄生电容。其中&＃xff0c;   和  这两个电容器对应于器件的实际几何结构&＃xff0c;而   电容器就是寄生双极晶体管的基极集电极二极管&＃xff08;体二极管&＃xff09;的电容。

        这三个寄生电容由 、、 间接提供&＃xff0c;各种型号的MOSFET在规格书中均会给出这三个电容的值

      后续的开关原理都是围绕这三个寄生电容来展开

03

—

开通原理

MOSFET的开通动作可以分为如下四个阶段&＃xff1a;

第一阶段&＃xff1a;器件的输入电容从0V充电至  。在此期间&＃xff0c;由于  电容比另外两个电容大的多&＃xff0c;所以G极的电流大部分都用来给  充电&＃xff0c;少量电流也会流经  &＃xff0c;随着G极电压升高&＃xff0c;  两端的电压略有下降&＃xff0c;这个期间称为开通延时&＃xff0c;因为器件的在电压到达  之前&＃xff0c;沟道还处于夹断状态&＃xff0c;所以  ,所以D极的电流和电压保持不变&＃xff0c;当栅极重置阈值电压后&＃xff0c;MOSFET就能载流了。

第二阶段&＃xff1a;栅极电压从  升高到米勒平坦  ,当电流和栅极电压成正比时&＃xff0c;这是器件的线性工作区。在栅极侧&＃xff0c;就像在第一阶段中那样&＃xff0c;电流流入  和  电容器中&＃xff0c;并且  电压升高。在器件的输出端&＃xff0c;漏极电流升高&＃xff0c;同时漏源电压保持之前的电平  

第三阶段&＃xff1a;栅极电压已充电至足够电压  ,可以承载完整的负载电流且整流器二极管关断&＃xff0c;此时&＃xff0c;允许漏极电压下降。当器件上的漏极电压下降时&＃xff0c;栅源极电压保持稳定。这就是栅极电压波形中的米勒平坦区域。驱动器提供的所有栅极电流都被转移&＃xff0c;从而对  电容充电&＃xff0c;以便在漏源极端子上实现快速的电压变化。现在&＃xff0c;器件的漏极电流受到外部电路的限制&＃xff0c;因此保持恒定。

第四阶段&＃xff1a;通过施加更高的栅极驱动电压&＃xff0c;充分增强MOSFET的导通通道。  的最终幅值决定了开通期间器件的最终导通电阻。所以&＃xff0c;在第四阶段中,  从  上升至最终值  。这通过对 和 电容器充电来实现&＃xff0c;因此现在栅极电流在两个组件之间分流。当这些电容器充电时&＃xff0c;漏极电流仍然保持恒定&＃xff0c;而由于器件的导通电阻下降&＃xff0c;漏源电压略有下降。

04

—

关断原理

        关断过程和开通过程相反

第一阶段&＃xff1a;关断延迟&＃xff0c;需要将  电容从初始值放电至米勒平坦电平&＃xff0c;这这段时间内&＃xff0c;栅极电流由  电容器自己提供&＃xff0c;并流经MOSFET的  和  电容器&＃xff0c;随着过驱电压降低&＃xff0c;器件的漏极电压略有上升。漏极的电流保持不变。

第二阶段&＃xff1a;MOSFET的漏源电压上升至  &＃xff0c;在此段时间内&＃xff0c;与栅极电压波形中的米勒平坦区域对应&＃xff0c;栅极电流完全是  电容器的充电电流&＃xff0c;因为栅源极电压是恒定的。此电流由功率级旁路电容提供&＃xff0c;并从漏极电流中减去。总漏极电流仍然等于负载电流。

第三阶段的开始用二极管开通表示&＃xff0c;因此为负载电流提供了一个替代路径。栅极电压继续从   下降至  。绝大部分栅极电流来自   电容器&＃xff0c;因为  电容器实际上在前一个阶段中就已经充满电了。在此间隔结束时&＃xff0c;MOSFET 处于线性工作状态&＃xff0c;栅源极电压下降导致漏极电流减小并接近于零。同时&＃xff0c;由于正向偏置整流器二极管的作用&＃xff0c;漏极电压在 时保持稳定。

关断过程的最后一步是对器件的输入电容完全放电。  进一步下降&＃xff0c;直至达到0V。与第三关断阶段类似&＃xff0c;栅极电流的更大一部分由   电容器提供。器件的漏极电流和漏极电压保持不变。

        概括而言&＃xff0c;得出的结论是&＃xff0c;在四个阶段中&＃xff0c;MOSFET 晶体管可在最高和最低阻抗状态&＃xff08;开通或关断&＃xff09;间切换。四个阶段的长度是寄生电容值、电容上所需的电压变化和可用的栅极驱动电流的函数。这就突显出正确的组件选择以及出色的栅极驱动设计对于高速高频开关应用非常重要。

04

—

PNP关断电路

毫无疑问&＃xff0c;快速关断电路最常用的布局是图中所示的局部PNP 关断电路。在   的帮助下&＃xff0c;在关断期间栅极和源极在MOSFET 端子处形成局部短路。RGATE 限制开通速度&＃xff0c;  为开通电流提供路径。而且&＃xff0c;  可以保护   的基极-发射极结&＃xff0c;防止在开通过程开始时出现反向击穿。

此解决方案最大优势是&＃xff0c;MOSFET 输入电容的高峰值放电电流限制在两个晶体管的栅极、源极和集电极以及发射极连接之间最小的环路内。

        关断电流不会返回驱动器&＃xff0c;不会导致误开通问题&＃xff0c;并且驱动器的功率损耗也减少了两倍。关断晶体管对栅极驱动环路电感、电势电流感应电阻器和驱动器的输出阻抗进行分流。而且&＃xff0c;   永远不会达到饱和&＃xff0c;这一点对于保障快速开关能力非常重要。通过详细了解电路我们可以发现&＃xff0c;此解决方案是一个简化的双极Totem-Pole 驱动器&＃xff0c;其中二极管替代了NPN 上拉晶体管。与Totem-Pole 驱动器相似&＃xff0c;MOSFET 栅极被关断电路钳制在大约GND-0.7V 到  &＃43;0.7V 之间&＃xff0c;从而消除了栅极电压应力过高的风险。该电路唯一一个已知的缺点是&＃xff0c;由于   的基极-发射极结上的压降&＃xff0c;它始终不能将栅极拉至0V