一、功率MOSFET工作原理概述
功率MOSFET的结构主要由栅极、漏极和源极组成。由于栅极电压控制沟道中的电子或空穴,因此源极和漏极之间的电流由栅极电压控制。当栅极电压超过一定阈值时,电子流入沟道并形成导通状态。相反,如果栅极电压低于阈值,则沟道关闭,电流被阻断,器件处于关闭状态。MOSFET是电压控制器件,因此其运行速度非常快,并且开关损耗较低,因为控制电流由电压决定。这一特性使得MOSFET特别适合高频开关场景,例如开关电源和DC-DC转换器。
二、开通过程的物理原理
功率MOSFET的开通过程是从栅极电压上升到漏源之间形成导电沟道的整个动态过程,分为几个重要阶段。
1. 关断阶段(初始关断状态)
此阶段,栅极电压低于阈值电压(V_th),MOSFET处于关断状态,漏极电流(I_D)为零,设备无法运行。空闲状态。此时源极和漏极之间没有连接。导电通道不能流动。
2. 超过阈值电压
通过外部控制信号逐渐增加栅极电压,当超过阈值电压时,MOSFET开始进入导通状态。此时,栅极处的电场逐渐影响沟道中的电子或空穴浓度,源极和漏极之间开始形成导电沟道。
3. 线性区
随着栅极电压继续增加,沟道电导率降低。传导沟道逐渐增大,漏极电流(I_D)迅速增大。在此阶段,MOSFET工作在压控电流源模式,漏极电流线性增加。该级的特性直接由栅极电压控制。
4. 米勒平台
随着栅极电压继续上升,器件进入所谓的米勒平台。在此过程中,随着栅漏电容(C_gd上的电荷变化)的增加,栅极电压暂时保持不变(即米勒平台电压)。米勒平台的持续时间取决于栅极-漏极电容和栅极驱动器电路的特性。在此阶段,MOSFET达到最大值,器件进入完全导通状态,MOSFET充当低阻抗传导路径。
5. 关闭过程
关闭过程与开启过程相反。这是一个逐渐关闭漏源导通通道的动态过程。断电也分为几个重要的物理阶段。
6. 断电命令触发
外部电路发送低电平信号到达MOSFET的栅极,栅极电压开始下降。此时,MOSFET逐渐开始进入关断阶段。
7. 米勒区
栅极电压下降到一定程度时,器件再次进入米勒平台阶段。在这一阶段,大部分电荷通过栅漏电容进行放电,栅极电压变化缓慢。同时,漏极电压迅速上升,漏极电流逐渐减小。
8. 线性区过渡
随着栅极电压继续降低,MOSFET进入线性区,导电通道开始逐渐关闭,漏极电流急剧下降,器件从导通状态向截止状态过渡。
9. 完全关断
当栅极电压降至阈值电压以下时,源极和漏极之间的导电沟道完全消失,MOSFET进入完全关断状态,漏极电流降至零或接近零。MOSFET的行为类似于高状态阻抗。
三、影响开关过程的主要元件
1. 栅极驱动电路
栅极驱动电路是影响MOSFET开关速度的主要元件。驱动电压和电流直接决定栅极电容的充放电速率。这会影响MOSFET的开关时间。更高的驱动电压和更强的驱动电流可以有效缩短开关时间并降低损耗。
2. 栅极电容
MOSFET栅极电容主要包括栅源电容(C_gs)和栅漏电容(C_gd)。栅极电容越大,开关时间变化越慢。栅极电容不仅影响开关时间,还影响开关过程中发生的损耗。
3. 阈值电压
MOSFET的阈值电压决定了MOSFET导通的阈值电压。阈值电压越高,打开或关闭MOSFET所需的栅极电压就越高,开关速度也会相应变化。在设计过程中,可以通过选择合适的阈值电压来提高MOSFET的开关性能。
总结
详细了解切换过程非常重要。了解不同阶段及其影响因素使设计人员能够优化电路性能、降低损耗、提高开关效率并优化栅极参数。随着半导体技术的进步,功率MOSFET将继续在高频、高效功率转换应用中发挥重要作用。
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