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為什么經常要求MOS管快速關斷,而不要求MOS管快速開通?

上期文章“MOS管損耗理論計算公式推導及LTspice仿真驗證”我們理論計算了MOS管的開關損耗。這期來說明一個問題:為什么我們很多時候要求MOS管快速關斷,而沒有要求MOS管快速開通?

下面是常見的MOS管的驅動電路

MOS管快關的原理

還是先簡單介紹下快關的原理:

我們知道,MOS管開通和關斷的過程,就是MOS管柵極電容充電和放電的過程,所以呢,柵極串聯的電阻越大,那么充放電速度越慢,開通和關斷越慢。當沒有二極管D和電阻Rs_off,開通時充電和關斷時放電的串聯電阻都是Rs_on,二者是一樣的

那為什么加上二極管D和電阻Rs_off(有時Rs_off=0Ω,即沒有這個電阻)就可以實現快關呢?

當要開通MOS時,驅動器輸出驅動電壓Vg_drive,此后一直到MOS管完全開通,Vg_drive都大于MOS的柵極電壓,因此二極管不導通,所以,相當于Vg_drvie通過電阻Rs_on給柵極進行充電。我們也可以看出,加不加這個Rs_off和二極管D,對于MOS管的開通速度是沒有影響的。

當要關斷MOS時,Vg_driveGND,柵極電壓大于Vg_drive,因此二極管導通,相當于柵極通過Rs_off并聯Rs_on進行放電(嚴格來說,這里面還有一個二極管的導通壓降,并不是很嚴謹)。我們知道,2個電阻并聯之后,電阻要小于并聯之前的2個電阻的任何一個。因此,放電時的等效串聯電阻為Rs_off//Rs_on,要小于開通時的串聯電阻Rs_on,而電阻越小,充放電速度越快,因此我們說,加上這個Rs_off和二極管D可以加速關斷

回到我們最開始的問題,為什么我們要專門增加二極管讓關斷更快一點呢?

這是因為如果電阻一樣的話,關斷本身耗時就會長一點,那為什么關斷時間會更長?明明充放電的電阻阻值一樣?

同電阻時為什么關斷時間會更長

結合上一期的內容,我知道,MOS管開通的損耗發生的區域主要在t2t3時間段,關斷損耗主要發生在t6t7階段,如下圖所示:

t2t7階段的差異

我們知道開通的t2階段和關斷的t7階段互為逆過程:

t2階段:柵極從門限電壓Vgs(th)充電到米勒平臺電壓Vgp的時間

t7階段:柵極從米勒平臺電壓Vgp放電到門限電壓Vgs(th)的時間

既然互為逆過程,那這個兩個時間不應該一樣?直覺好像是這樣的,但實際是不同的,因為充電和放電的曲線是不一樣的。

MOS管開通和關斷的電路模型對比如下圖。

我們畫出RC電路的充放電曲線如下圖:

可以看到,充電時,電壓開始上升很快,后面越來越慢,而放電時,也是開始很快,后面很慢。

而一般MOSVgs_th也就2V左右,Vgp也就比Vgs_th1~2V左右,比如以TINMOS為例:Vgs(th)=1.3VVgp=2.5V

很多功率驅動電路,驅動器輸出電壓常大于10V,比Vgs_thVgp大比較多。

開通過程中對柵極進行充電,Vgs_thVgp相對于充電初始電壓0V比較近,因此處于充電曲線的前期階段,充電會比較快,耗時會比較短。

而關斷過程中對柵極放電,Vgs_thVgp相對于放電初始電壓Vg_drvie比較遠,因此處于充電曲線的較后期階段,放電比較慢,耗時會比較長。

綜上,t2,這一特點我們從曲線上也可以很直觀的看出來。

說完了為什么t2,我們再來看下t3t6的情況

t3為什么也比t6時間要短?

類似于t2t7,開通的t3階段和關斷的t6階段互為逆過程:

t3階段:開通過程中米勒平臺電壓Vgp持續的時間

t6階段:關斷過程中米勒平臺電壓Vgp持續的時間

首先,我們要知道,米勒平臺充電或者放電對應的電荷量都是一樣多的,都是米勒平臺電荷量Qgd

其次,不論是開通,還是關斷過程中,其米勒平臺電壓持續時間內,柵極電壓都維持米勒平臺電壓Vgp不變。

充電時,充電電流為Ig()=Vg_drive-Vgp/R

放電時,柵極電流為Ig()=  Vgp/R

前面說到,Vg_drive很多時候大于10VVgp2~3V,因此易得,Ig()>Ig(),而充電和放電的電荷量都為Qgd,因此充電時間<放電時間,即t3

現在我們知道了,t2t3

因此總的開通時間t2+t3 < 總的關斷時間t7+t6

其實,我們從第一期舉的例子也可以看出來,在不加二極管的情況下,關斷時間是要比開通時間要長不少的,具體如下圖所示:

由上圖可知:

t2=18ns,比t7= 88.6ns要小很多

t3=29.8ns,比t6=104.5ns也要小很多

小結

盡管從上一期的內容,我們可以直接得到開通時間和關斷時間,但是我還是又定性的又分析了一遍,因為公式總是冰冷的,本期文章能夠更通俗易懂的說明為什么關斷時間更長:

門限電壓Vgs_th和米勒平臺電壓Vgp一般只有1~3V,比柵極驅動電壓小比較多,這造成充電快,放電慢,因此開通快,關斷慢。

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  • dy-NDK16izm 04-10 09:24
    我有一個問題 就是mos管怎樣才算完全關斷呢 我該怎么驗證mos管處在完全關斷的狀態 望解答
    回復
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