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分析开关电源中MOS管开关的全过程

返回列表来源:壹芯微 发布日期 2019-12-06 浏览:-

分析开关电源中MOS管开关的全过程

极限参数

ID:最大漏源电流。是指场效应管正常工作时,漏源间所允许通过的最大电流。MOSFET的工作电流不应超过ID。此参数会随结温度的上升而有所减额。

IDM:最大脉冲漏源电流。反映了器件可以处理的脉冲电流的高低,此参数会随结温度的上升而有所减小。

PD:最大耗散功率。是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率。使用时,场效应管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量。此参数一般会随结温度的上升而有所减额。

VGS:最大栅源电压。是指栅源间反向电流开始急剧增加时的VGS值

Tj:最大工作结温。通常为150℃或175℃,器件设计的工作条件下须确应避免超过这个温度,并留有一定裕量。

TSTG:存储温度范围。

V(BR)DSS :漏源击穿电压。是指栅源电压VGS为0时,场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压。加在场效应管上的工作电压必须小于V(BR)DSS。它具有正温度特性。故应以此参数在低温条件下的值作为安全考虑。

V(BR)DSS/△Tj:漏源击穿电压的温度系数,一般为0.1V/℃。

RDS(on):在特定的VGS(一般为10V)、结温及漏极电流的条件下,MOSFET导通时漏源间的最大阻抗。它是一个非常重要的参数,决定了MOSFET导通时的消耗功率。此参数一般会随结温度的上升而有所增大。故应以此参数在最高工作结温条件下的值作为损耗及压降计算。

VGS(th):开启电压(阀值电压)。当外加栅极控制电压VGS超过VGS(th)时,漏区和源区的表面反型层形成了连接的沟道。应用中,常将漏极短接条件下ID等于1毫安时的栅极电压称为开启电压。此参数一般会随结温度的上升而有所降低。

IDSS:饱和漏源电流,栅极电压VGS=0、VDS为一定值时的漏源电流。一般在微安级。

IGSS:栅源驱动电流或反向电流。由于MOSFET输入阻抗很大,IGSS一般在纳安级。

gfs:跨导。是指漏极输出电流的变化量与栅源电压变化量之比,是栅源电压对漏极电流控制能力大小的量度。

Qg:栅极总充电电量。MOSFET是电压型驱动器件,驱动的过程就是栅极电压的建立过程,这是通过对栅源及栅漏之间的电容充电来实现的。

Qgs:栅源充电电量。

Qgd:栅漏充电电量。

Ciss:输入电容,将漏源短接,用交流信号测得的栅极和源极之间的电容 。Ciss= CGD + CGS 。对器件的开启和关断延时有直接的影响。

Coss:输出电容,将栅源短接,用交流信号测得的漏极和源极之间的电容 。Coss = CDS +CGD 。

Crss:反向传输电容,在源极接地的情况下,测得的漏极和栅极之间的电容 Crss = CGD 。对于开关的上升和下降时间来说是其中一个重要的参数。

Td(on):导通延迟时间。从有输入电压上升到10%开始到VDS (Vout )下降到其幅值90%的时间(如下图示)。

Tr:上升时间。输出电压VDS (Vout )从90%下降到其幅值10%的时间。

Td(off):关断延迟时间。输入电压下降到90%开始到VDS (Vout )上升到其关断电压时10%的时间。

Tf:下降时间。输出电压VDS (Vout )从10%上升到其幅值90%的时间,参照下图所示。

MOS管开关

雪崩击穿参数

如果电压超过漏源极限电压将导致器件处在雪崩状态

EAS:单次脉冲雪崩击穿能量,说明MOSFET所能承受的最大雪崩击穿能量

IAR:雪崩电流

EAR:重复雪崩击穿能量

体内二极管参数

IS:连续最大续流电流(从源极)

ISM:脉冲最大续流电流(从源极)

VSD:正向导通压降

Trr:反向恢复时间

Qrr:反向恢复充电电量

Ton:正向导通时间(基本可以忽略不计)

POWER MOSFET 等效模型

MOS管开关

POWER MOSFET 寄生参数

MOS管开关

MOS管的驱动

在进行驱动电路设计之前,必须先清楚MOS管的模型、MOS管的开关过程、MOS管的栅极电荷以及MOS管的输入输出电容、跨接电容、等效电容等参数对驱动的影响。驱动电路的好坏直接影响了电源的工作性能及可靠性,一个好的MOSFET驱动电路的基本要求是:

l开关管导通时,驱动电路应能提供足够大的充电电流使栅源电压上升到需要值,保证开关管快速开通且不存在上升沿的高频震荡。

l开关管导通期间驱动电路能保证MOSFET栅源间电压保持稳定使其可靠导通。

l关断瞬间驱动电路能提供一个低阻抗通路供MOSFET栅源间电压快速泻放,保证开关管能快速关断。

l关断期间驱动电路可以提供一定的负电压避免受到干扰产生误导通。

l驱动电路结构尽量简单,最好有隔离 。

POWER MOSFET 驱动保护

MOS管开关

POWER MOSFET 驱动电阻的影响

MOS管开关

驱动电阻增大,驱动上升变慢,开关过程延长,对EMI有好处,但是开关损耗会增大,因此选择合适的驱动电阻很重要。

几种常见的MOSFET驱动电路

l不隔离互补驱动电路

MOS管开关

由于MOSFET为电压型驱动器件,当其关断时,漏源两端的电压的上升会通过结电容在栅源两端产生干扰电压,如图所示的电路不能提供负电压,因此其抗干扰性较差,有条件的话可以将其中的地换成-Vcc,以提高抗干扰性及提高关断速度。

l隔离驱动电路

(1)正激驱动电路

MOS管开关

该驱动电路的导通速度主要与被驱动S1栅源极等效输人电容的大小、Q1的驱动信号的速度以及Q1所能提供的电流大小有关.

优点:

电路简单,并实现了隔离驱动。

只需单电源即可提供导通时的正电压及关断时的负电压。

占空比固定时,通过合理的参数设计,此驱动电路也具有较快的开关速度。

缺点:

由于变压器副边需要一个较大的防振荡电阻,该电路消耗比较大。

当占空比变化时关断速度变化加大。 脉宽较窄时,由于储存的能量减少导致MOSFET关断速度变慢

(2)有隔离变压器互补驱动电路

MOS管开关

优点:

电路简单可靠,具有电气隔离作用。当脉宽变化时,驱动的关断能力不会随着变化。 

该电路只需一个电源,隔直电容C的作用在关断时提供一个负压,从而加速了功率管的关断,有较高的抗干扰能力。

缺点:

输出电压幅值会随着占空比变化而变化。当D较小时,负电压较小,抗干扰能力变差,同时正向电压高,应注意不要超过栅源允许电压;当D大于0.5时,正向电压降低,负电压升高,应注意使其负电压不要超过栅源允许电压 。

MOS管开关

此时副边绕组负电压值较大,稳压二极管Z2的稳压值为所需的负向电压值,超过部分电压降在电容C2上。

MOS管开关

MOSFET导通过程详细分析

MOS管开关

T0~T1:驱动通过RGATE对Cgs充电,电压Vgs以指数的形式上升

MOS管开关

T1~T2:Vgs达到MOSFET开启电压,MOSFET进入线性区,Id缓慢上升,至T2时刻Id到达饱和或是负载最大电流。在此期间漏源极之间依然承受近乎全部电压Vdd 。

MOS管开关

T2~T3:T2时刻 Id达到饱和并维持稳定值,MOS管工作在饱和区,Vgs固定不变,电压Vds开始下降。此期间Cgs不再消耗电荷, VDD开始给Cgd提供放电电流。

MOS管开关

T3~T4: 电压Vds下降到0V,VDD继续给Cgs充电,直至Vgs=VDD,MOSFET完成导通过程。

重要说明

Vgs的各个阶段的时间跨度同栅极消耗电荷成比例(因△Q= IG△T,而IG在此处为恒流源之输出)。

T0~ T2跨度代表了Ciss(VGS+ CGD)所消耗的电荷,对应于器件规格书中提供的参数Qgs(Gateto Source Charge)。

T2~ T3跨度代表了CGD(或称为米勒电容)消耗的电荷,对应于器件规格书中提供的参数Qds(Gateto Drain (“Miller”) Charge)。

T3时刻前消耗的所有电荷就是驱动电压为Vdd、电流为Id的MOSFET所需要完全开通的最少电荷需求量。T3以后消耗的额外电荷并不表示驱动所必须的电荷,只表示驱动电路提供的多余电荷而已。

开关损失:在MOSFET导通的过程中,两端的电压有一个下降的过程,流过的电流有一个上升的过程,那么这段时间里,MOS管损失的是电压和电流的乘积,称为开关损失。

导通损耗: MOS管在导通之后,电流在导通电阻上消耗能量,称为导通损耗

整体特性表现:

驱动电量要求:

△Q t0 ~ t4= (t4-t0 )IG = VG(CGS + CGD)+ VDDCGD

驱动电流要求:

IG=△Q t0 ~ t4 /(t4-t0)≈△Q t0 ~ t3 / (t3-t0)≈Qg/(Td(on) + Tr)

驱动功率要求:

Pdrive=∫t4-t0 vg(t)ig(t)≈VG△Q≈VG〔VG(CGS+CGD)+ VDDCGD〕

驱动电阻要求:

RG =VG / IG

一般地可以根据器件规格书提供的如下几个参数作为初期驱动设计的计算假设

a)  Qg(Total Gate Charge):作为最小驱动电量要求。

b)相应地可得到最小驱动电流要求为IG≈Qg/(td(on)+tr)。

c)Pdrive=VG*Qg作为最小驱动功率要求。

d)相应地,平均驱动损耗为VG*Qg*fs 

MOSFET关断过程

MOS管开关

MOSFET关断过程是开通过程的反过程

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