分解開關電源中MOS管開關的全過程！

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2022年1月27日 16:27

MOS管datasheet基本參數中文解釋

// 極限參數

ID：最大漏源電流。 是指場效應管正常工作時，漏源間所允許通過的最大電流。MOSFET的工作電流不應超過ID。此參數會隨結溫度的上升而有所減額。
IDM：最大脈沖漏源電流。 反映了器件可以處理的脈沖電流的高低，此參數會隨結溫度的上升而有所減小。
PD：最大耗散功率。 是指場效應管性能不變壞時所允許的最大漏源耗散功率。使用時，場效應管實際功耗應小于PDSM并留有一定余量。此參數一般會隨結溫度的上升而有所減額。
VGS：最大柵源電壓。 是指柵源間反向電流開始急劇增加時的VGS值
Tj：最大工作結溫。 通常為150℃或175℃，器件設計的工作條件下須確應避免超過這個溫度，并留有一定裕量。
TSTG： 存儲溫度范圍。
V(BR)DSS ： 漏源擊穿電壓。是指柵源電壓VGS為0時，場效應管正常工作所能承受的最大漏源電壓。加在場效應管上的工作電壓必須小于V(BR)DSS。它具有正溫度特性。故應以此參數在低溫條件下的值作為安全考慮。
V(BR)DSS/△Tj： 漏源擊穿電壓的溫度系數，一般為0.1V/℃。
RDS(on)： 在特定的VGS（一般為10V）、結溫及漏極電流的條件下，MOSFET導通時漏源間的最大阻抗。它是一個非常重要的參數，決定了MOSFET導通時的消耗功率。此參數一般會隨結溫度的上升而有所增大。故應以此參數在最高工作結溫條件下的值作為損耗及壓降計算。
VGS(th)： 開啟電壓（閥值電壓）。當外加柵極控制電壓VGS超過VGS(th)時，漏區和源區的表面反型層形成了連接的溝道。應用中，常將漏極短接條件下ID等于1毫安時的柵極電壓稱為開啟電壓。此參數一般會隨結溫度的上升而有所降低。
IDSS： 飽和漏源電流，柵極電壓VGS=0、VDS為一定值時的漏源電流。一般在微安級。
IGSS： 柵源驅動電流或反向電流。由于MOSFET輸入阻抗很大，IGSS一般在納安級。
gfs： 跨導。是指漏極輸出電流的變化量與柵源電壓變化量之比，是柵源電壓對漏極電流控制能力大小的量度。
Qg： 柵極總充電電量。MOSFET是電壓型驅動器件，驅動的過程就是柵極電壓的建立過程，這是通過對柵源及柵漏之間的電容充電來實現的。
Qgs： 柵源充電電量。
Qgd： 柵漏充電電量。
Ciss： 輸入電容，將漏源短接，用交流信號測得的柵極和源極之間的電容。Ciss= CGD + CGS 。對器件的開啟和關斷延時有直接的影響。
Coss： 輸出電容，將柵源短接，用交流信號測得的漏極和源極之間的電容。Coss = CDS +CGD 。
Crss： 反向傳輸電容，在源極接地的情況下，測得的漏極和柵極之間的電容 Crss = CGD 。對于開關的上升和下降時間來說是其中一個重要的參數。
Td(on)： 導通延遲時間。從有輸入電壓上升到10%開始到VDS （Vout ）下降到其幅值90%的時間(如下圖示)。
Tr： 上升時間。輸出電壓VDS （Vout ）從90%下降到其幅值10%的時間。
Td(off)： 關斷延遲時間。輸入電壓下降到90%開始到VDS （Vout ）上升到其關斷電壓時10%的時間。
Tf： 下降時間。輸出電壓VDS （Vout ）從10%上升到其幅值90%的時間，參照下圖所示。

// 雪崩擊穿參數

如果電壓超過漏源極限電壓將導致器件處在雪崩狀態.

EAS：單次脈沖雪崩擊穿能量，說明MOSFET所能承受的最大雪崩擊穿能量。
IAR：雪崩電流。
EAR：重復雪崩擊穿能量。

// 體內二極管參數

IS：連續最大續流電流（從源極）。
ISM：脈沖最大續流電流（從源極）。
VSD：正向導通壓降。
Trr：反向恢復時間。
Qrr：反向恢復充電電量。
Ton：正向導通時間（基本可以忽略不計）。

POWER MOSFET 等效模型

MOS管的驅動

在進行驅動電路設計之前，必須先清楚MOS管的模型、MOS管的開關過程、MOS管的柵極電荷以及MOS管的輸入輸出電容、跨接電容、等效電容等參數對驅動的影響。驅動電路的好壞直接影響了電源的工作性能及可靠性，一個好的MOSFET驅動電路的基本要求是：

開關管導通時，驅動電路應能提供足夠大的充電電流使柵源電壓上升到需要值，保證開關管快速開通且不存在上升沿的高頻震蕩。
開關管導通期間驅動電路能保證MOSFET柵源間電壓保持穩定使其可靠導通。
關斷瞬間驅動電路能提供一個低阻抗通路供MOSFET柵源間電壓快速瀉放，保證開關管能快速關斷。
關斷期間驅動電路可以提供一定的負電壓避免受到干擾產生誤導通。
驅動電路結構盡量簡單，最好有隔離。

POWER MOSFET 驅動保護

// POWER MOSFET 驅動電阻的影響

驅動電阻增大，驅動上升變慢，開關過程延長，對EMI有好處，但是開關損耗會增大，因此選擇合適的驅動電阻很重要。

幾種常見的MOSFET驅動電路

// 不隔離互補驅動電路

由于MOSFET為電壓型驅動器件，當其關斷時，漏源兩端的電壓的上升會通過結電容在柵源兩端產生干擾電壓，如圖所示的電路不能提供負電壓，因此其抗干擾性較差，有條件的話可以將其中的地換成-Vcc，以提高抗干擾性及提高關斷速度。

// 隔離驅動電路

正激驅動電路

該驅動電路的導通速度主要與被驅動S1柵源極等效輸人電容的大小、Q1的驅動信號的速度以及Q1所能提供的電流大小有關。

優點：

電路簡單，并實現了隔離驅動。
只需單電源即可提供導通時的正電壓及關斷時的負電壓。
占空比固定時，通過合理的參數設計，此驅動電路也具有較快的開關速度。

缺點：

由于變壓器副邊需要一個較大的防振蕩電阻，該電路消耗比較大。
當占空比變化時關斷速度變化加大。脈寬較窄時，由于儲存的能量減少導致MOSFET關斷速度變慢。

有隔離變壓器互補驅動電路

優點：

電路簡單可靠，具有電氣隔離作用。當脈寬變化時，驅動的關斷能力不會隨著變化。
該電路只需一個電源，隔直電容C的作用在關斷時提供一個負壓，從而加速了功率管的關斷，有較高的抗干擾能力。

缺點：

輸出電壓幅值會隨著占空比變化而變化。當D較小時，負電壓較小，抗干擾能力變差，同時正向電壓高，應注意不要超過柵源允許電壓；當D大于0.5時，正向電壓降低，負電壓升高，應注意使其負電壓不要超過柵源允許電壓。

此時副邊繞組負電壓值較大，穩壓二極管Z2的穩壓值為所需的負向電壓值，超過部分電壓降在電容C2上。

MOSFET導通過程詳細分析

T0~T1：驅動通過RGATE對Cgs充電，電壓Vgs以指數的形式上升。

T1~T2：Vgs達到MOSFET開啟電壓，MOSFET進入線性區，Id緩慢上升，至T2時刻Id到達飽和或是負載最大電流。在此期間漏源極之間依然承受近乎全部電壓Vdd 。

T2~T3：T2時刻 Id達到飽和并維持穩定值，MOS管工作在飽和區，Vgs固定不變，電壓Vds開始下降。此期間Cgs不再消耗電荷， VDD開始給Cgd提供放電電流。

T3~T4：電壓Vds下降到0V，VDD繼續給Cgs充電，直至Vgs=VDD，MOSFET完成導通過程。

// 重要說明

Vgs的各個階段的時間跨度同柵極消耗電荷成比例（因△Q = IG△T，而IG在此處為恒流源之輸出）。
T0 ~ T2跨度代表了Ciss（VGS+ CGD）所消耗的電荷，對應于器件規格書中提供的參數Qgs(Gate to Source Charge)。
T2 ~ T3跨度代表了CGD（或稱為米勒電容）消耗的電荷，對應于器件規格書中提供的參數Qds(Gate to Drain (“Miller”) Charge)。
T3時刻前消耗的所有電荷就是驅動電壓為Vdd、電流為Id的MOSFET所需要完全開通的最少電荷需求量。T3以后消耗的額外電荷并不表示驅動所必須的電荷，只表示驅動電路提供的多余電荷而已。
開關損失：在MOSFET導通的過程中，兩端的電壓有一個下降的過程，流過的電流有一個上升的過程，那么這段時間里，MOS管損失的是電壓和電流的乘積，稱為開關損失。
導通損耗：MOS管在導通之后，電流在導通電阻上消耗能量，稱為導通損耗