MOSFET在电路中的开通过程是怎样的?
为什么米勒平台期间VGS电压不变?
一、MOSFET开关电路
功率MOSFET在电路中常作为功率开关用于能源转换及管理,其开关特性由栅驱动电路及外部负载决定,通常用于感性负载的内部电流控制。下图为在感性负载电路中工作的功率MOSFET器件。

通过驱动电路对栅极G的控制实现MOSFET器件开关,在每个工作周期(开通与关断)负载电流IL分别在功率MOSFET器件及续流二极管间转换。
当功率MOSFET器件开启时电感充电(其上电流增加)IL流过MOSFET,关断时由于电感电流不能突变,负载电感(相当于电流源)放电电流流进二极管续流。由于一个周期内电感电流变化很小,可假定电流IL为恒定。
二、开通过程
开通瞬态过程主要分为4个阶段,随着驱动电流iG的施加时间其栅源电压VGS、漏源电压VDS、栅漏电压VGD及漏极电流ID变化过程如下图所示:

第一阶段(t0-t1)
VGS:栅极驱动电流主要对CGS电容充电,栅源间电压VGS上升,上升到阈值电压VTH时该阶段结束。
ID:该阶段VGS电压未达到阈值电压(VTH),MOSFET工作在截止区,ID≈0A。
VDS:MOSFET工作在截止区(关断状态),电阻趋近于无穷大,母线电压全部降落在MOSFET上,VDS等于母线电压VDD。
VGD:栅极电位低于漏极电位,栅漏电压VGD为负,VGD=VGS-VDS,该阶段VGD绝对值随VGS的升高逐渐降低。
第二阶段(t1-t2)
VGS:栅极驱动电流持续对CGS电容充电,栅源间电压VGS继续上升。
ID:该阶段VGS>VTH沟道开启,器件工作在恒流区,ID电流随VGS升高线性升高(受跨导gfs影响),当ID电流升高到感性负载电流IL时该阶段结束(受负载影响)。
VDS:由于负载为感性,在MOSFET开启后,有一个电感电流IL的电流路径从续流二极管转换为MOSFET的过程,在这个转换过程中漏源电压VDS被续流二极管钳位(VDS=VDD+二极管压降),因此该阶段VDS电压不变(二极管正向压降很小可以忽略)。
若是负载是阻性的,这个阶段VDS会正常随ID电流的升高逐渐降低。
VGD:VDS电压被钳位,VGD=VGS-VDS,该阶段VGD绝对值随VGS的升高逐渐降低。
第三阶段(t2-t3)
VGS:该阶段栅极驱动电流持续对米勒电容CGD充电,不在对CGS电容充电,栅源间电压VGS不变。
ID:器件工作在恒流区VGS不变,电感电流全部流过MOSFET,ID=IL电流。
VDS:负载及续流二极管开始承受耐压,VDS线性减小,直至VDS接近于0时该阶段结束。
VGD:VGD=VGS-VDS,VDS电压线性降低,VGS不变,该阶段VGD绝对值随VDS的降低先降低后升高,最后VGD=VGS。
米勒平台形成原因?
VGD电压快速变化,会在CGD电容D端产生很大的dv/dt,在栅极形成感应电流:
ICGD=CGD×dv/dt
CGD电容将驱动电流全部抽取过去,用来抵消CGD电容所存储的电荷,这时CGS电容几乎没有电流流入,VGS电压也就不变,形成米勒平台区;米勒平台期间VDS及ID都较大,因此该期间开关损耗也就较大。
第四阶段(t3-t4)
VGS:该阶段栅极驱动电流对米勒电容CGD和CGS电容一起充电(也就是Ciss),栅源间电压VGS开始上升,因为充电电容变大所以相比于第一阶段VGS上升斜率小。
ID:器件工作在可变电阻区,受感性负载影响ID电流基本维持不变。
VDS:维持接近于0V。
VGD:VGD=VGS-VDS,VDS=0V,VGD=VGS,该阶段VGD与VGS曲线重合,一同上升。
在MOSFET输出特性曲线上的开通过程(截止区→线性区)

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