MOSFET管开关电流波形问题及MOSFET基本特性 工作原理详解

MOSFET管概述

1、MOSFET的结构

MOSFET的内部结(jie)构(gou)和电(dian)(dian)气(qi)符号如图1所示；其导通时只(zhi)有一(yi)种极(ji)(ji)性的载(zai)流(liu)(liu)子(zi)（多(duo)子(zi)）参与导电(dian)(dian)，是单极(ji)(ji)型晶体管。导电(dian)(dian)机(ji)理与小功(gong)率(lv)mos管相(xiang)同，但 结(jie)构(gou)上(shang)有较大区别，小功(gong)率(lv)MOSFET管是横向导电(dian)(dian)器件(jian)，功(gong)率(lv)MOSFET大都采用(yong)垂直导电(dian)(dian)结(jie)构(gou)，又称为(wei)VMOSFET（Vertical MOSFET），大大提高(gao)了MOSFET器件(jian)的耐压和耐电(dian)(dian)流(liu)(liu)能力。

按(an)垂直导电结构的(de)(de)差异，又(you)分为(wei)利用V型槽(cao)实现垂直导电的(de)(de)VVMOSFET和具有(you)垂直导电双(shuang)扩散MOS结构的(de)(de)VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET），本文主要以VDMOS器件为(wei)例进行讨(tao)论(lun)。

功(gong)率MOSFET为多元(yuan)集(ji)成(cheng)结构，如国际整流器公司（International Rectifier）的(de)(de)HEXFET采用(yong)了(le)六边形(xing)(xing)单元(yuan)；西(xi)门子公司（Siemens）的(de)(de)SIPMOSFET采用(yong)了(le)正方形(xing)(xing)单元(yuan)；摩托罗拉公司 （Motorola）的(de)(de)TMOS采用(yong)了(le)矩形(xing)(xing)单元(yuan)按(an)“品(pin)”字形(xing)(xing)排列。

2、MOSFET的工作原理

截(jie)止：漏源极间(jian)加(jia)正(zheng)电源，栅源极间(jian)电压为(wei)零。P基(ji)区(qu)与(yu)N漂移区(qu)之间(jian)形成的(de)PN结J1反偏，漏源极之间(jian)无电流流过。

导电：在栅源(yuan)极间(jian)加正(zheng)电压(ya)UGS，栅极是绝缘的(de)，所以(yi)不会(hui)有(you)栅极电流流过。但栅极的(de)正(zheng)电压(ya)会(hui)将其下面P区(qu)(qu)中的(de)空穴推开(kai)，而(er)将P区(qu)(qu)中的(de)少子—电子吸引到栅极下面的(de)P区(qu)(qu)表(biao)面

当UGS大于UT（开启(qi)电(dian)压或阈值电(dian)压）时，栅极下P区表面的电(dian)子浓(nong)度将(jiang)超(chao)过(guo)空穴浓(nong)度，使P型(xing)(xing)半导体反(fan)型(xing)(xing)成N型(xing)(xing)而(er)成为反(fan)型(xing)(xing)层，该反(fan)型(xing)(xing)层形成N沟道而(er)使PN结J1消失，漏极和源极导电(dian)。

MOS管开关电路的定义

MOS管(guan)(guan)开关电路是(shi)利(li)用MOS管(guan)(guan)栅(zha)极（g）控制MOS管(guan)(guan)源(yuan)极（s）和漏(lou)极（d）通断的原理(li)构(gou)造的电路。因(yin)MOS管(guan)(guan)分为N沟(gou)道与P沟(gou)道，所以开关电路也(ye)主要分为两(liang)种。

1、 P沟道MOS管开关电路

路编(bian)辑PMOS的(de)特性，Vgs小(xiao)于一(yi)定的(de)值(zhi)就会导通，适合用于源(yuan)极接VCC时的(de)情况（高(gao)端(duan)驱动(dong)）。需要注意(yi)的(de)是，Vgs指的(de)是栅(zha)(zha)极G与源(yuan)极S的(de)电压(ya)，即栅(zha)(zha)极低于电源(yuan)一(yi)定电压(ya)就导通，而非(fei)相对于地的(de)电压(ya)。但是因为PMOS导通内阻比较大，所以(yi)只适用低功率(lv)的(de)情况。大功率(lv)仍然使(shi)用N沟道MOS管。

2、 N沟道mos管开关电路

NMOS的特性，Vgs大于一(yi)定(ding)的值就会(hui)导通，适(shi)合用于源(yuan)(yuan)(yuan)极(ji)(ji)(ji)接(jie)地时的情(qing)况(kuang)（低(di)端驱动），只要栅极(ji)(ji)(ji)电(dian)压(ya)(ya)大于参数手册中给定(ding)的Vgs就可以(yi)(yi)了，漏(lou)极(ji)(ji)(ji)D接(jie)电(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)，源(yuan)(yuan)(yuan)极(ji)(ji)(ji)S接(jie)地。需要注意的是Vgs指的是栅极(ji)(ji)(ji)G与(yu)源(yuan)(yuan)(yuan)极(ji)(ji)(ji)S的压(ya)(ya)差(cha)，所(suo)以(yi)(yi)当(dang)(dang)NMOS作为高(gao)端驱动时候，当(dang)(dang)漏(lou)极(ji)(ji)(ji)D与(yu)源(yuan)(yuan)(yuan)极(ji)(ji)(ji)S导通时，漏(lou)极(ji)(ji)(ji)D与(yu)源(yuan)(yuan)(yuan)极(ji)(ji)(ji)S电(dian)势相(xiang)等，那么栅极(ji)(ji)(ji)G必(bi)须高(gao)于源(yuan)(yuan)(yuan)极(ji)(ji)(ji)S与(yu)漏(lou)极(ji)(ji)(ji)D电(dian)压(ya)(ya)，漏(lou)极(ji)(ji)(ji)D与(yu)源(yuan)(yuan)(yuan)极(ji)(ji)(ji)S才能继续导通。

MOSFET管开关电流波形问题分析

MOSFET管开(kai)关(guan)电流波形(xing)问题解析如下(xia)：

这里就用MOSFET代替BJT了，所以ids = ic，Vds=Vce，Coss也就是(shi)Cds代表(biao)输出电容。简单(dan)来说就是(shi)当MOS管一(yi)开始导通时(shi)输出电容Coss还保(bao)(bao)持Vds电压，随着Ids电流越来越大，Vds电压终于保(bao)(bao)持不(bu)住(zhu)，开始下(xia)降。直到管子完全(quan)开启。比较(jiao)详细的开启过程是(shi)由Miller Plateau造成的，这(zhei)里(li)借(jie)用了网上一(yi)些解释Miller Plateau的图，如果有(you)不(bu)清楚的就请见谅了。

阶段1，Vgs 《 Vth，管子是关(guan)断的，所以Ids = 0，Vds=high，ig充电Cgs。

阶段2，Vgs 》 Vth，管子(zi)开启，Ids从0增加(jia)到iL被外部电(dian)(dian)(dian)流源电(dian)(dian)(dian)感钳(qian)住，Coss（Cds）上电(dian)(dian)(dian)压不能突变，保持Vds。

阶段(duan)3，进入(ru)Miller plateau，Vgs 》 Vth，管子仍然保持(chi)开(kai)(kai)启，Coss开(kai)(kai)始(shi)discharge，Vds电(dian)压(ya)开(kai)(kai)始(shi)下降，于(yu)此同时Cgd开(kai)(kai)始(shi)被(bei)ig充电(dian)。Vg保持(chi)不变。

阶段4，Vd下降(jiang)到接近0点，ig继续给ig充(chong)电Cgs和Cgd充(chong)电。

阶段5，Vg到达gate driver预定的电压，管(guan)子开启过程(cheng)完成。

关(guan)断过程和开(kai)启过程类似，也会有Miller plateau效应(ying)。

我们可以看到，如果(guo)如果(guo)MOS管(guan)开(kai)启时VDS上(shang)有(you)原(yuan)始电压，那么MOS开(kai)启过程中(zhong)就会有(you)Ids和(he)Vds的(de)(de)重叠，那么会带(dai)来Switching Loss。由于Coss上(shang)的(de)(de)能量在(zai)极短时间(jian)内被释放，电容(rong)上(shang)能量会损(sun)失掉（换算(suan)为Loss为0.5*Coss*Vds^2*fs），而且只(zhi)要是非零电压开(kai)启（Non Zero Voltage Switching），会给(ji)PCB和(he)MOS的(de)(de)寄(ji)生电感与(yu)电容(rong)形成(cheng)的(de)(de)谐振腔（resonant tank）引入比较大的(de)(de)dv/dt或者di/dt激励，引起比较大的(de)(de)ringing，甚至超(chao)过管(guan)子的(de)(de)额定电压，烧毁管(guan)子。

那(nei)么我(wo)们可以避免这种(zhong)情况的(de)发生吗？答案是可以的(de)，也就是很多人提到的(de)Zero Voltage Switching，虽然会付出一定的(de)代(dai)价(jia)。我(wo)们先看如何能(neng)实现软开(kai)关(guan)开(kai)启(qi)Zero Voltage Switching Turn on。

实现(xian)(xian)ZVS turn on很简单(dan)，只需(xu)要在我们开启管子前，Vds上的电压为(wei)零就好，这样(yang)Ids和Vds就没有(you)重(zhong)叠了，turn on switching loss为(wei)零，没有(you)high di/dt， dv/dt问题，没有(you)ringing，完美(mei)！那么如(ru)何实现(xian)(xian)ZVS turn on呢？个人觉得(de)分两(liang)种情(qing)况讨(tao)论(lun)：1为(wei)PWM converter，2为(wei)resonant converter（谐振变(bian)换器(qi)）。

一(yi)、对于PWM converter，就拿最简单的(de)两个管子的(de)half bridge（其实也就是buck converter）做例子。

对(dui)于half bridge 实现ZVS turn on，我们希望(wang)当(dang)上管Q1开启时电(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)是(shi)(shi)流(liu)(liu)进switching node （vsw）的(de)，也(ye)就(jiu)(jiu)是(shi)(shi)图(tu)中电(dian)(dian)(dian)感电(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)为(wei)负值(zhi)，当(dang)下管Q2开启时我们希望(wang)电(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)是(shi)(shi)流(liu)(liu)出switching node （vsw）的(de)，也(ye)就(jiu)(jiu)是(shi)(shi)电(dian)(dian)(dian)感电(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)为(wei)正值(zhi)。为(wei)什(shen)么这样(yang)就(jiu)(jiu)可以实现ZVS turn on了呢？我们就(jiu)(jiu)看上管Q1开启过(guo)程。

如果(guo)电(dian)(dian)(dian)感电(dian)(dian)(dian)流(liu)iL为(wei)负，这(zhei)时(shi)(shi)候我(wo)们(men)(men)先关闭(bi)Q2，这(zhei)时(shi)(shi)候Q1还未开(kai)启，在这(zhei)个(ge)deadTIme中iL会(hui)charge Q2的(de)Coss，使Vsw抬(tai)高到Vin，当然(ran)(ran)不能(neng)超过Vin，因为(wei)Q1的(de)body diode会(hui)导通(tong)，钳位住Vsw到Vin，这(zhei)时(shi)(shi)候Q1的(de)Vds就是Vin-Vsw=0，这(zhei)时(shi)(shi)候我(wo)们(men)(men)开(kai)启Q1就实现(xian)ZVS了(le)。同理对于Q2开(kai)启时(shi)(shi)，如果(guo)电(dian)(dian)(dian)感电(dian)(dian)(dian)流(liu)为(wei)正，那么当我(wo)们(men)(men)首先关闭(bi)Q1管时(shi)(shi)，Vsw就会(hui)被电(dian)(dian)(dian)感电(dian)(dian)(dian)流(liu)拉低到0，因为(wei)iL》0， Q2的(de)Coss会(hui)discharged到0，然(ran)(ran)后(hou)我(wo)们(men)(men)再开(kai)启Q2，就可以达(da)到ZVS了(le)。

这里(li)我有一张其(qi)他Topology的PWM converter的波形(xing)图，也和buck工(gong)作(zuo)原理类(lei)似，大概(gai)可(ke)以(yi)看看基本原理，也就是(shi)电感(gan)电流(liu)为负时，Q1可(ke)以(yi)实现ZVS，让Vsw的ringing比较(jiao)小。而当(dang)电感(gan)电流(liu)为正时，实现不(bu)了ZVS，Vsw的ringing就比较(jiao)大了。

二， 对于(yu)resonant converter，其(qi)实道理类(lei)似，我们(men)也(ye)希望(wang)在我们(men)开启管子(zi)前，Vds上的(de)电压为零。那么对于(yu)resonant converter的(de)half bridge，我们(men)希望(wang)看(kan)到的(de)impedance为inducTIve，也(ye)就是感性的(de)，这(zhei)样(yang)switching node流出的(de)电流I就会滞后于(yu)电压V，现在ZVS turn on。

这(zhei)是因(yin)为(wei)如果电(dian)流I是滞后与电(dian)压V的(de)(de)，这(zhei)样在Q1开(kai)启(qi)之前电(dian)流I为(wei)负值就会charge Q2的(de)(de)Coss，同时discharge Q1的(de)(de)Coss，让(rang)V到Vin，这(zhei)样Q1就实现ZVS turn on了(le)。Q2开(kai)启(qi)之前，电(dian)流I为(wei)正，也会discharge Q2的(de)(de)Coss，和charge Q1的(de)(de)Coss，让(rang)V到0，这(zhei)样Q2就实现ZVS了(le)。

总结起来(lai)，要实现ZVS turn on，对(dui)于PWM，需(xu)(xu)(xu)(xu)要电感电流(liu)为负，而(er)且需(xu)(xu)(xu)(xu)要足够的deadTIme；对(dui)于resonant converter，需(xu)(xu)(xu)(xu)要impedance为inducTIve，而(er)且也(ye)需(xu)(xu)(xu)(xu)要deadtime。那么有人(ren)可能要问，对(dui)于PWM converter到底电感电流(liu)为多(duo)(duo)负？deadtime至少(shao)(shao)为多(duo)(duo)少(shao)(shao)可以保证ZVS？对(dui)于resonant converter， impedance 到底为多(duo)(duo)少(shao)(shao)？deadtime为多(duo)(duo)少(shao)(shao)可以保证ZVS？

要(yao)回答这(zhei)个定(ding)量问题，其实是不(bu)那么简单的。对于PWM converter，参考(kao)quasi-square-wave

ZVS buck converters，我们是(shi)(shi)可以画出state plane，然后(hou)根(gen)据state plane图的几何关(guan)系定量分析(xi)出来的，但(dan)是(shi)(shi)非(fei)常繁琐，常常是(shi)(shi)七八(ba)个三(san)角函数等式求解。所以我个人愚见，在(zai)设(she)计上，就(jiu)让(rang)(rang)开(kai)关(guan)频率小点，电(dian)感(gan)值小点，让(rang)(rang)电(dian)感(gan)电(dian)流ripple足(zu)够大，能达到负值就(jiu)差不(bu)多了(le)。对于resonant

converter，倒(dao)是可(ke)以简单地通过积分方法，算(suan)出(chu)(chu)i与(yu)(yu)t的积分，让这(zhei)个it积分大于Coss上(shang)的charge就行(xing)。比如已知impedance，算(suan)出(chu)(chu)V与(yu)(yu)I的phase shift，然(ran)后换算(suan)成时间td，然(ran)后在td上(shang)对电感(gan)电流进行(xing)积分，只要这(zhei)个积分大于等于Coss*Vin就行(xing)了(le)。

说(shuo)了soft switching， ZVS这么多好处，我们(men)谈谈soft switching的弊端(duan)。对于PWM converter我们(men)可以看到为了实现ZVS，我们(men)减小了电(dian)感值，让电(dian)感电(dian)流ripple变(bian)大，最终(zhong)达(da)到负值，实现了ZVS，但是(shi)付(fu)出(chu)的代价就是(shi)inductor current的RMS值变(bian)大，各个元器件(jian)的导通损耗（conduction loss）变(bian)大，所以我们(men)是(shi)牺牲了conduction loss换取switching loss和小ringing。

而且如果(guo)输出电(dian)流(liu)(liu)越大(da)(da)，我(wo)们(men)需(xu)要实(shi)现ZVS的(de)难度(du)更大(da)(da)，需(xu)要进一步增大(da)(da)ripple，造成(cheng)RMS电(dian)流(liu)(liu)进一步增大(da)(da)，很有(you)可(ke)能得不(bu)偿失，造成(cheng)converter整体(ti)效(xiao)率下(xia)降。对(dui)于(yu)resonant converter，在频率很高的(de)情(qing)况下(xia)，有(you)时候需(xu)要让impedance非常inductive，也就(jiu)是I滞后于(yu)V非常厉(li)害(hai)才(cai)能有(you)足(zu)够的(de)charge q来实(shi)现ZVS，这其实(shi)也是变相降低了(le)(le)有(you)功功率的(de)传输，因(yin)为V和I的(de)phase lag比(bi)较大(da)(da)，造成(cheng)了(le)(le)converter的(de)circulating current比(bi)较大(da)(da)，RMS电(dian)流(liu)(liu)值(zhi)增大(da)(da)，也是增大(da)(da)了(le)(le)conduction loss。

所以在设计(ji)(ji)或者考虑ZVS等soft switching时(shi)需要对系(xi)统有个整(zheng)体loss的把握，在conduction loss和switching loss之间做好trade-off，这样才能设计(ji)(ji)出效率最高，最棒的converter。

MOSFET的基本特性

漏极(ji)电(dian)流ID和栅源间电(dian)压UGS的(de)(de)关系称为MOSFET的(de)(de)转移特性(xing)，ID较(jiao)大时，ID与UGS的(de)(de)关系近(jin)似线性(xing)，曲线的(de)(de)斜(xie)率定义为跨导Gfs MOSFET的(de)(de)漏(lou)极伏安特性(xing)(xing)（输出特性(xing)(xing)）：截止(zhi)(zhi)区(qu)(qu)(qu)（对应于GTR的(de)(de)截止(zhi)(zhi)区(qu)(qu)(qu)）；饱(bao)和(he)区(qu)(qu)(qu)（对应于GTR的(de)(de)放大(da)区(qu)(qu)(qu)）；非饱(bao)和(he)区(qu)(qu)(qu)（对应于GTR的(de)(de)饱(bao)和(he)区(qu)(qu)(qu)）。

电(dian)(dian)力 MOSFET工作在(zai)开关状(zhuang)态，即(ji)在(zai)截止区(qu)和非(fei)饱和区(qu)之间(jian)来(lai)回转换。电(dian)(dian)力MOSFET漏(lou)源极(ji)之间(jian)有寄生二极(ji)管(guan)，漏(lou)源极(ji)间(jian)加反(fan)向电(dian)(dian)压时器件(jian)导通。电(dian)(dian)力 MOSFET的通态电(dian)(dian)阻具有正温度(du)系数，对器件(jian)并联(lian)时的均流有利。

开通过程；开通延迟(chi)时(shi)间td(on) —up前沿时(shi)刻到(dao)uGS=UT并开始出现iD的(de)时(shi)刻间的(de)时(shi)间段；

上升时(shi)间tr— uGS从uT上升到MOSFET进入非饱和(he)区(qu)的栅压UGSP的时(shi)间段；iD稳态(tai)值由漏极电(dian)源电(dian)压UE和漏极负载电(dian)阻决定。UGSP的大小和iD的稳态(tai)值有关，UGS达到UGSP后，在up作用下继续升高直至达到稳态(tai)，但iD已不变(bian)。开通时间ton—开通延迟时间与(yu)上升(sheng)时间之和。

关断延(yan)迟时(shi)间(jian)td(off) —up下降(jiang)到零起，Cin通过(guo)Rs和RG放电，uGS按指数曲线下降(jiang)到UGSP时(shi)，iD开始减小为零的时(shi)间(jian)段(duan)。下降时间(jian)tf— uGS从UGSP继续下降起，iD减小，到(dao)uGS关断时间(jian)(jian)toff—关断延迟时间(jian)(jian)和下降时间(jian)(jian)之和。

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