資料介紹
前面的文章講述過(guò)基于功率MOSFET的漏極特性理解其開(kāi)關(guān)過(guò)程,也討論過(guò)開(kāi)關(guān)電源的PWM及控制芯片內(nèi)部的圖騰驅(qū)動(dòng)器的特性和柵極電荷的特性,基于上面的這些理論知識(shí),就可以估算功率MOSFET在開(kāi)關(guān)過(guò)程中的開(kāi)關(guān)損耗。開(kāi)關(guān)損耗內(nèi)容將分成二次分別講述開(kāi)通過(guò)程和開(kāi)通損耗,以及關(guān)斷過(guò)程和和關(guān)斷損耗。
功率MOSFET及驅(qū)動(dòng)的等效電路圖如圖1所示,RG1為功率MOSFET外部串聯(lián)的柵極電阻,RG2為功率MOSFET內(nèi)部的柵極電阻,RG=RUp RG1 RG2為G極串聯(lián)的總驅(qū)動(dòng)電阻。
圖1:功率MOSFET驅(qū)動(dòng)等效電路
實(shí)際的應(yīng)用中功率MOSFET所接的負(fù)載大多為感性負(fù)載,感性負(fù)載等效為電流源,因此功率MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程基于電流源來(lái)討論。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)加在功率MOSFET的柵極時(shí),開(kāi)通過(guò)程分為4個(gè)模式(階段),其等效電路如圖2所示。
圖2:功率MOSFET開(kāi)通過(guò)程
圖3:功率MOSFET開(kāi)通波形
(1) 模式M1:t0-t1
起始狀態(tài)從t0時(shí)刻開(kāi)始,當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)通過(guò)電阻加在功率MOSFET的柵極G時(shí),驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)G極的電容充電,G極電壓成指數(shù)上升。MOSFET的漏極和源極所加的電壓VDS為電源電壓VDD,漏極電流ID≈0A。當(dāng)VGS電壓達(dá)到閾值電壓VTH后,此階段結(jié)束,對(duì)應(yīng)時(shí)刻為t1,如圖2(a)和圖3所示。
此過(guò)程中,柵極的電壓VGS為:
其中,。若t0=0,則有:
(2) 模式t1-t2
在t1時(shí)刻,MOSFET開(kāi)通,漏極開(kāi)始流過(guò)電流,在t1到t2期間,Ciss繼續(xù)充電,柵極電壓VGS繼續(xù)上升,機(jī)理跟前一階段完全一樣,同時(shí)ID的電流從0開(kāi)始不斷的增加,ID的電流和VGS的值滿足跨導(dǎo)的限制。
當(dāng)ID的電流達(dá)到電流源的電流值Io、也就是系統(tǒng)的最大電流時(shí),VGS電壓也上升到米勒平臺(tái)電壓VGP,此階段結(jié)束,對(duì)應(yīng)時(shí)刻為t2。在整個(gè)時(shí)間段t1~t2過(guò)程中,VDS保持電源電壓VDD不變,如圖2(b)和圖3所示。
其中,
(3) 模式t2-t3
在t2時(shí)刻,VGS電壓上升到米勒平臺(tái)電壓VGP,ID電流也上升到系統(tǒng)電流最大值。由于ID的電流不再增加,那么VGS的電壓就要維持不變,而驅(qū)動(dòng)回路仍然提供著驅(qū)動(dòng)的電流,試圖迫使VGS的電壓上升,那么只有VDS的電壓開(kāi)始變化,也就是VDS從VDD電壓開(kāi)始下降,產(chǎn)生dV/dT的變化,在米勒電容Crss上產(chǎn)生抽取電流,從而保證VGS的電壓不會(huì)增加。
ICrss = Crss· dVDS/dT
VDS的變化將驅(qū)動(dòng)回路的電流全部抽走,從Crss流過(guò),CGS沒(méi)有充電的電流,驅(qū)動(dòng)電流全部流向Crss,VGS的電壓就不再變化,保持不變。在整個(gè)時(shí)間段t2~t3內(nèi),器件工作在穩(wěn)定的恒流區(qū),VGS電壓保持恒定VGP不變,ID電流保持恒定,VGS電壓保持一個(gè)平臺(tái)區(qū),形成有名的米勒平臺(tái),如圖2b(c)和圖3所示,則有:
隨著VDS電壓不斷降低,Crss的電荷被清除,當(dāng)VDS電壓降到最小值后不再變化,此階段結(jié)束,對(duì)應(yīng)時(shí)刻為t3。
(4) 模式t3-t4
在t3時(shí)刻,VDS電壓降到最小值不再改變,所以dVDS/dT為0,dVDS/dT不再通過(guò)Crss產(chǎn)生抽取電流,于是驅(qū)動(dòng)電路的電流將繼續(xù)同時(shí)給CGS和Crss充電,如圖2(d)和圖3所示,VGS的電壓按指數(shù)關(guān)系上升,和階段1、2類似,直到VGS電壓達(dá)到最高的驅(qū)動(dòng)VCC,整個(gè)開(kāi)通的過(guò)程結(jié)束。
通過(guò)圖3的波形可以看到,在整個(gè)開(kāi)通過(guò)程的4個(gè)階段:t0-t1、t1-t2、t2-t3和t3-t4,t0-t1階段,ID的電流基本上為0,沒(méi)有損耗。t3-t4完全開(kāi)通,只有導(dǎo)通電阻產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗,沒(méi)有開(kāi)關(guān)損耗。
t1-t2、t2-t3二個(gè)階段,電流和電壓產(chǎn)生重疊交越區(qū),因此產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗。同時(shí),t1-t2和t2-t3二個(gè)階段工作于線性區(qū),因此功率MOSFET的開(kāi)通過(guò)程中,跨越線性區(qū)是產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗的最根本的原因。
開(kāi)通損耗可以用下面公式計(jì)算:
開(kāi)通損耗和t1-t2、t2-t3二個(gè)階段時(shí)間、系統(tǒng)頻率成正比。在實(shí)際的應(yīng)用中,會(huì)發(fā)現(xiàn):
這表明:米勒平臺(tái)時(shí)間在開(kāi)通損耗中占主導(dǎo)地位,這也是為什么在選擇功率MOSFET的時(shí)候,如果關(guān)注開(kāi)關(guān)損耗,那么就應(yīng)該關(guān)注Crss或QGD,而不僅僅是Ciss和QG。
圖4:功率MOSFET開(kāi)通損耗
開(kāi)通損耗沒(méi)有考慮在開(kāi)通過(guò)程中,Coss的放電產(chǎn)生的損耗,低壓的應(yīng)用Coss放電產(chǎn)生的損耗可以忽略,而高壓的應(yīng)用中,Coss放電產(chǎn)生的損耗甚至比上面的開(kāi)通損耗還要大,因此在重點(diǎn)校核。?
(mbbeetchina)
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