电源基础知识——《功率 MOSFET 工作特性》

功率 MOSFET 工作特性

功率 MOSFET 的一些重要的特性是:

• 将MOSFET置于“导通”状态需要栅极电压高于一 定的同值电压。且没有静态电流消耗，功率增益是无限大的。但是， 由于栅极是望容性的。因此需要很大的电流才能快速导通(关断);

• 高速开关需要大电流的驱动电路;

• 一旦MOSFET导通，漏源间电流可以在任一方向上流动。这对电路拓扑设计具有很大的影响，包括好和坏的方面;

• 高速开关电路的功率损耗主要有四个来源:

由册极电容充放电所需电流带来的损耗 VDRV x QG x fsw ,主要存在于驱动电路中：

漏源导通时的导通损耗，IDS² x RDS(ON) x D;

开关转换期间电流和电压交越产生的转换损耗，1/2 x VDs x ION x (tON + tOFF) x fsw ;

导通时漏源电容放电造成的损耗,1/2 x CDS x VDS² x fsw 。

功率 MOSFET 的开关过程是多个状态的转换过程，我们可以借助图3.12的开关波形来进行描述，这是分析MOSFET开关过程比较直观的方法。

图3.12    描述 MOSFET 功率开关导通过程的示意图及对应波形

上面的示意图为栅极驱动器和MOSFET导通时的等效电路，即所谓的“钳位感性负载”应用。该测试电路假定驱动电路中的恒流源(向棚极间电容后)被钳位到一个固定的电压电平，这个模型能够模拟大多数(但不是全部)开关电源的应用。MOSFET 的原理图包括等效的极间电容，它们是决定开关动作的主导因素。然而，这些电容通常在元件规格书数据表中找不到确切的值，行业中是通过其他方法定义的。行业中人为定义了CISS 、CRSS和COSS因此，有必要计算真正的极间电容:

注意，CGD 实质上是将变化的漏极电压耦合到栅极作为负反馈，从而抑制了快速开关，由于其值与所施加的电压成反比，这个作用进一步变得复杂化。一般行业中采用的近似方法是:

Specified 是指规格书中定义的值(这是在一定的条件测量得到的，一般为25V ),而 Ckt max为实际电路中的电压值。

图3.12的右侧绘制了四个位置的波形:栅极电压VGs，栅极电流lG,漏极-源极电压VDs,以及在整个过程中的漏极电流波形ID。整个过程具体分析如下:

区间1:自这个时期开始，栅极驱动器导通,栅极电流开始对栅极电容充电，同时栅极电压开始上升。由于电流来自于-个低电压源，受到串联阻抗的限制，所以栅极电流随着栅极电压的升高而下降。在此期间没有其他事情发生。

区间2:当栅极电压达到导通國值,开始有电流流过漏极到达源极。在此期间，漏极电流将增加，直到 MOSFET 流过所有的测试电流，从而漏极电压开始下降。在这段时间内，漏极电压却没有变化，栅极特性也没有改变。

区间3:随着漏极电压的降低，CGD 电容的存在，栅极电流发生转移，并在漏极电压下降的时间内防止栅极电压进一步升高。

区间4:一旦漏极电压完成转换，电容CGD 不再有电流流过，栅极电压现在可以上升到任何电压大小(这个取决于栅极驱动电路提供的电压)。这个上升的栅极电压进一步增强了 MOSFET 的导通，使其达到最低的RDs (ON）值。同样,类似地要描述 MOSFET 关断过程，我们可以按照图3.13的等效原理图和波形进行分析。