功率MOSFET關(guān)斷過程五階段的研究
2014-07-31 00:49:42邱偉
新媒體研究 2014年13期
邱偉
摘 要 功率MOSFET常處于高頻開關(guān)狀態(tài)，關(guān)斷動態(tài)過程是開關(guān)特性的一個重要組成部分，文章對MOSFET的關(guān)斷過程分五個階段進行了詳細分析，并澄清一些文獻中不清晰之處，最后給出了實驗論證，實驗結(jié)果表明分析正確。
關(guān)鍵詞 功率MOSFET；關(guān)斷；動態(tài)過程
中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0174-02
目前，電力電子器件主要有功率二極管，功率MOSFET，IGBT等開關(guān)器件，實際中，這些器件在電路工作中處于開關(guān)狀態(tài)，且開關(guān)頻率很高，因此高頻開關(guān)信號下器件的動態(tài)性能顯得尤為重要[1，2]，而關(guān)斷過程是開關(guān)特性的一個重要組成部分，文獻[3]-[5]對MOSFET的關(guān)斷過程分為四階段，有些地方闡述不清晰，本文詳細分析了MOSFET的關(guān)斷過程，并將關(guān)斷過程分為五個階段來分析，最后進行了實驗論證，實驗結(jié)果表明分析的合理性。
1 MOSFET關(guān)斷過程的分析
圖1為典型的感性負載下MOSFET開關(guān)電路，圖中ug為輸入的PWM控制信號；L為分布寄生電感；Rg為MOSFET內(nèi)部寄生電阻與外部驅(qū)動電阻之和；Q為被驅(qū)動的MOSFET且其寄生電容為Cgd，Cgs，Cds而且三者關(guān)系為輸入電容Ciss=Cgd+Cgs，輸出電容Coss=Cgd+Cds；Cf為二極管Df的寄生電容（考慮到Df具有理想恢復(fù)特性），另外，圖中給出了各個電量參數(shù)的參考方向。
圖1 具有感性負載的MOSFET開關(guān)電路
為了便宜分析，先做如下假設(shè)。
1）驅(qū)動脈沖信號ug為理想方波。
2）負載電路時間常數(shù)足夠大，負載電流IO可視為一個恒流源。
3）MOSFET直流跨導(dǎo)Gm和門檻電壓UT為一個恒值。
整個功率MOSFET的關(guān)斷過程中各個電量波形示意圖如圖2所示，t0～t1時刻為開關(guān)管MOSFET的導(dǎo)通狀態(tài)，二極管Df截止，負載電流Io流過MOSFET，t1時刻，ug降為0，功率開關(guān)管進入關(guān)斷過程，下面分5個階段予以詳細分析。
階段1 [t1～t2]關(guān)斷延遲區(qū)。
在t1時，驅(qū)動信號ug下降為零，MOSFET工作在通態(tài)電阻區(qū)，溝道電流in=IO，輸入電容Ciss通過驅(qū)動電阻Rg放電，柵源電壓
圖2 開關(guān)管關(guān)斷過程波形
ugs下降，各個電量關(guān)系為：
（1）
考慮初始時刻有ugs（0）=Ug，解式（1）得ugs的變化：
（2）
階段2 [t2～t3]電壓上升區(qū)。
在t=t2時，階段1結(jié)束，ugs下降到Io/Gm+UT，隨后，MOSFET開始進入線性放大區(qū)，Io-in-icf給寄生電容Cgd與Cds充電，uds開始上升，二極管電壓ucf下降，漏極電流iL下降， 由于密勒效應(yīng)的作用，ugs近似不變，即igs≈0，根據(jù)圖1采用回路電壓與節(jié)點電流法可得各量變化為：
（3）
若負載很小，此階段iL下降到0，MOSFET關(guān)斷。關(guān)斷后其工作狀況進入階段5。
階段3 [t3～t4]電流下降區(qū)Ⅰ。
在t3時刻，密勒效應(yīng)結(jié)束，uds上升到Uin，二極管Df開始導(dǎo)通，電流Io流Df分流。iDf從零開始增大，iL繼續(xù)減小，uds繼續(xù)增大，MOSFET仍工作在線性放大區(qū)，由于電感L的電流不能突變，此階段ugs與in變化緩慢，可將其視為常數(shù)。首先對階段2進行S域分析可得ugs（s）為：
（4）
其中：
（5）
利用終值定理可得t3時刻階in的值約為In∞且大小為：
（6）
此階段可將電路簡化為一個LC諧振電路，寄生電感L與MOSFET寄生電容Cds諧振，可得電壓uds為：
（7）
到t4時刻，漏極電流iL與溝道電流in相等，is=0，此階段結(jié)束，此時，uds達到其最高尖峰值Up，且大小為uds（t4）
這里要說明的是，有些文獻中認為當uds達到尖峰時漏極電流iL下降到零是不妥的，后面的實驗也證明了這一點。
階段4 [t4～t5]電流下降區(qū)Ⅱ。
漏極電流iL由于uds與Uin的作用將繼續(xù)減小。且漏極電流iL全部從MOSFET溝道流過，對電容Cds的充電電流很小，為了便于分析，此階段uds電壓可認為維持在Up并保持不變。in可等效受控于Up-UD，可得溝道電流in為：
（8）
到t5時刻，溝道電流in下降到零，ugs下降到UT，此過程結(jié)束。
階段5 [t5～t6]電壓衰減振蕩區(qū)。
在t5時刻，Q關(guān)斷。由于Q關(guān)斷，L與漏源極間電容Cds構(gòu)成串聯(lián)振蕩電路，線路總寄生電阻大小為R，Cds的初始電壓為uds（t5）≈Up，結(jié)合其等效電路與初始值可得。
此過程中uds及iL的大小為：
（9）
式（9）中：
（10）
到t6時刻，uds兩端電壓衰減至Uin，此過程結(jié)束。接下來uds=Uin，整個關(guān)斷過程結(jié)束。
2 實驗論證
在實驗室制作了一臺樣機，樣機采用Boost變換器。實驗參數(shù)為：輸入電壓200 V，輸出電壓380 V，額定功率1 kW，開關(guān)頻率65 kHz，濾波電感為1mH，寄生電感L=3uH，開關(guān)管為IRF460，二極管為RHRG15120，圖3為Boost變換器的功率MOSFET的關(guān)斷過程動態(tài)波形圖，從圖中可以看出五個階段iL，uds及ugs的變化，且變化過程與第2部分分析的各個階段一一對應(yīng)，另外，當uds達到尖峰時iL不為零，實驗很好的證明了這一點。
圖3 MOSFET關(guān)斷過程動態(tài)波形圖
3 結(jié)論
開關(guān)特性對開關(guān)器件的影響尤其重要，本文詳細分析了功率MOSFET的關(guān)斷過程，實驗論證了所分析的五階段過程正確性，為MOSFET的實際電路應(yīng)用提供了一定的參考。
參考文獻
[1]林渭勛.現(xiàn)代電力電子電路[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2002.
[2]王志強，王莉.一種新穎的MOSFET驅(qū)動電路[J].電力電子技術(shù)，2005，39（1）：92-94.
[3]包爾恒.MOSFET驅(qū)動電路分析與設(shè)計[J].通信電源技術(shù)，2013，30（2）：34-37.
[4]張元敏，方波，蔡子亮.實際應(yīng)用條件下Power MOSFET開關(guān)特性研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007（21）：175-178.
[5]Yuancheng Ren， Ming Xu， Jinghai Zhou， and Fred C. Lee.Analytical Loss Model of Power MOSFET[J].IEEE Trans. on Power Electronics，2006，21（2）：310-319.endprint
摘 要 功率MOSFET常處于高頻開關(guān)狀態(tài)，關(guān)斷動態(tài)過程是開關(guān)特性的一個重要組成部分，文章對MOSFET的關(guān)斷過程分五個階段進行了詳細分析，并澄清一些文獻中不清晰之處，最后給出了實驗論證，實驗結(jié)果表明分析正確。
關(guān)鍵詞 功率MOSFET；關(guān)斷；動態(tài)過程
中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0174-02
目前，電力電子器件主要有功率二極管，功率MOSFET，IGBT等開關(guān)器件，實際中，這些器件在電路工作中處于開關(guān)狀態(tài)，且開關(guān)頻率很高，因此高頻開關(guān)信號下器件的動態(tài)性能顯得尤為重要[1，2]，而關(guān)斷過程是開關(guān)特性的一個重要組成部分，文獻[3]-[5]對MOSFET的關(guān)斷過程分為四階段，有些地方闡述不清晰，本文詳細分析了MOSFET的關(guān)斷過程，并將關(guān)斷過程分為五個階段來分析，最后進行了實驗論證，實驗結(jié)果表明分析的合理性。
1 MOSFET關(guān)斷過程的分析
圖1為典型的感性負載下MOSFET開關(guān)電路，圖中ug為輸入的PWM控制信號；L為分布寄生電感；Rg為MOSFET內(nèi)部寄生電阻與外部驅(qū)動電阻之和；Q為被驅(qū)動的MOSFET且其寄生電容為Cgd，Cgs，Cds而且三者關(guān)系為輸入電容Ciss=Cgd+Cgs，輸出電容Coss=Cgd+Cds；Cf為二極管Df的寄生電容（考慮到Df具有理想恢復(fù)特性），另外，圖中給出了各個電量參數(shù)的參考方向。
圖1 具有感性負載的MOSFET開關(guān)電路
為了便宜分析，先做如下假設(shè)。
1）驅(qū)動脈沖信號ug為理想方波。
2）負載電路時間常數(shù)足夠大，負載電流IO可視為一個恒流源。
3）MOSFET直流跨導(dǎo)Gm和門檻電壓UT為一個恒值。
整個功率MOSFET的關(guān)斷過程中各個電量波形示意圖如圖2所示，t0～t1時刻為開關(guān)管MOSFET的導(dǎo)通狀態(tài)，二極管Df截止，負載電流Io流過MOSFET，t1時刻，ug降為0，功率開關(guān)管進入關(guān)斷過程，下面分5個階段予以詳細分析。
階段1 [t1～t2]關(guān)斷延遲區(qū)。
在t1時，驅(qū)動信號ug下降為零，MOSFET工作在通態(tài)電阻區(qū)，溝道電流in=IO，輸入電容Ciss通過驅(qū)動電阻Rg放電，柵源電壓
圖2 開關(guān)管關(guān)斷過程波形
ugs下降，各個電量關(guān)系為：
（1）
考慮初始時刻有ugs（0）=Ug，解式（1）得ugs的變化：
（2）
階段2 [t2～t3]電壓上升區(qū)。
在t=t2時，階段1結(jié)束，ugs下降到Io/Gm+UT，隨后，MOSFET開始進入線性放大區(qū)，Io-in-icf給寄生電容Cgd與Cds充電，uds開始上升，二極管電壓ucf下降，漏極電流iL下降， 由于密勒效應(yīng)的作用，ugs近似不變，即igs≈0，根據(jù)圖1采用回路電壓與節(jié)點電流法可得各量變化為：
（3）
若負載很小，此階段iL下降到0，MOSFET關(guān)斷。關(guān)斷后其工作狀況進入階段5。
階段3 [t3～t4]電流下降區(qū)Ⅰ。
在t3時刻，密勒效應(yīng)結(jié)束，uds上升到Uin，二極管Df開始導(dǎo)通，電流Io流Df分流。iDf從零開始增大，iL繼續(xù)減小，uds繼續(xù)增大，MOSFET仍工作在線性放大區(qū)，由于電感L的電流不能突變，此階段ugs與in變化緩慢，可將其視為常數(shù)。首先對階段2進行S域分析可得ugs（s）為：
（4）
其中：
（5）
利用終值定理可得t3時刻階in的值約為In∞且大小為：
（6）
此階段可將電路簡化為一個LC諧振電路，寄生電感L與MOSFET寄生電容Cds諧振，可得電壓uds為：
（7）
到t4時刻，漏極電流iL與溝道電流in相等，is=0，此階段結(jié)束，此時，uds達到其最高尖峰值Up，且大小為uds（t4）
這里要說明的是，有些文獻中認為當uds達到尖峰時漏極電流iL下降到零是不妥的，后面的實驗也證明了這一點。
階段4 [t4～t5]電流下降區(qū)Ⅱ。
漏極電流iL由于uds與Uin的作用將繼續(xù)減小。且漏極電流iL全部從MOSFET溝道流過，對電容Cds的充電電流很小，為了便于分析，此階段uds電壓可認為維持在Up并保持不變。in可等效受控于Up-UD，可得溝道電流in為：
（8）
到t5時刻，溝道電流in下降到零，ugs下降到UT，此過程結(jié)束。
階段5 [t5～t6]電壓衰減振蕩區(qū)。
在t5時刻，Q關(guān)斷。由于Q關(guān)斷，L與漏源極間電容Cds構(gòu)成串聯(lián)振蕩電路，線路總寄生電阻大小為R，Cds的初始電壓為uds（t5）≈Up，結(jié)合其等效電路與初始值可得。
此過程中uds及iL的大小為：
（9）
式（9）中：
（10）
到t6時刻，uds兩端電壓衰減至Uin，此過程結(jié)束。接下來uds=Uin，整個關(guān)斷過程結(jié)束。
2 實驗論證
在實驗室制作了一臺樣機，樣機采用Boost變換器。實驗參數(shù)為：輸入電壓200 V，輸出電壓380 V，額定功率1 kW，開關(guān)頻率65 kHz，濾波電感為1mH，寄生電感L=3uH，開關(guān)管為IRF460，二極管為RHRG15120，圖3為Boost變換器的功率MOSFET的關(guān)斷過程動態(tài)波形圖，從圖中可以看出五個階段iL，uds及ugs的變化，且變化過程與第2部分分析的各個階段一一對應(yīng)，另外，當uds達到尖峰時iL不為零，實驗很好的證明了這一點。
圖3 MOSFET關(guān)斷過程動態(tài)波形圖
3 結(jié)論
開關(guān)特性對開關(guān)器件的影響尤其重要，本文詳細分析了功率MOSFET的關(guān)斷過程，實驗論證了所分析的五階段過程正確性，為MOSFET的實際電路應(yīng)用提供了一定的參考。
參考文獻
[1]林渭勛.現(xiàn)代電力電子電路[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2002.
[2]王志強，王莉.一種新穎的MOSFET驅(qū)動電路[J].電力電子技術(shù)，2005，39（1）：92-94.
[3]包爾恒.MOSFET驅(qū)動電路分析與設(shè)計[J].通信電源技術(shù)，2013，30（2）：34-37.
[4]張元敏，方波，蔡子亮.實際應(yīng)用條件下Power MOSFET開關(guān)特性研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007（21）：175-178.
[5]Yuancheng Ren， Ming Xu， Jinghai Zhou， and Fred C. Lee.Analytical Loss Model of Power MOSFET[J].IEEE Trans. on Power Electronics，2006，21（2）：310-319.endprint
摘 要 功率MOSFET常處于高頻開關(guān)狀態(tài)，關(guān)斷動態(tài)過程是開關(guān)特性的一個重要組成部分，文章對MOSFET的關(guān)斷過程分五個階段進行了詳細分析，并澄清一些文獻中不清晰之處，最后給出了實驗論證，實驗結(jié)果表明分析正確。
關(guān)鍵詞 功率MOSFET；關(guān)斷；動態(tài)過程
中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0174-02
目前，電力電子器件主要有功率二極管，功率MOSFET，IGBT等開關(guān)器件，實際中，這些器件在電路工作中處于開關(guān)狀態(tài)，且開關(guān)頻率很高，因此高頻開關(guān)信號下器件的動態(tài)性能顯得尤為重要[1，2]，而關(guān)斷過程是開關(guān)特性的一個重要組成部分，文獻[3]-[5]對MOSFET的關(guān)斷過程分為四階段，有些地方闡述不清晰，本文詳細分析了MOSFET的關(guān)斷過程，并將關(guān)斷過程分為五個階段來分析，最后進行了實驗論證，實驗結(jié)果表明分析的合理性。
1 MOSFET關(guān)斷過程的分析
圖1為典型的感性負載下MOSFET開關(guān)電路，圖中ug為輸入的PWM控制信號；L為分布寄生電感；Rg為MOSFET內(nèi)部寄生電阻與外部驅(qū)動電阻之和；Q為被驅(qū)動的MOSFET且其寄生電容為Cgd，Cgs，Cds而且三者關(guān)系為輸入電容Ciss=Cgd+Cgs，輸出電容Coss=Cgd+Cds；Cf為二極管Df的寄生電容（考慮到Df具有理想恢復(fù)特性），另外，圖中給出了各個電量參數(shù)的參考方向。
圖1 具有感性負載的MOSFET開關(guān)電路
為了便宜分析，先做如下假設(shè)。
1）驅(qū)動脈沖信號ug為理想方波。
2）負載電路時間常數(shù)足夠大，負載電流IO可視為一個恒流源。
3）MOSFET直流跨導(dǎo)Gm和門檻電壓UT為一個恒值。
整個功率MOSFET的關(guān)斷過程中各個電量波形示意圖如圖2所示，t0～t1時刻為開關(guān)管MOSFET的導(dǎo)通狀態(tài)，二極管Df截止，負載電流Io流過MOSFET，t1時刻，ug降為0，功率開關(guān)管進入關(guān)斷過程，下面分5個階段予以詳細分析。
階段1 [t1～t2]關(guān)斷延遲區(qū)。
在t1時，驅(qū)動信號ug下降為零，MOSFET工作在通態(tài)電阻區(qū)，溝道電流in=IO，輸入電容Ciss通過驅(qū)動電阻Rg放電，柵源電壓
圖2 開關(guān)管關(guān)斷過程波形
ugs下降，各個電量關(guān)系為：
（1）
考慮初始時刻有ugs（0）=Ug，解式（1）得ugs的變化：
（2）
階段2 [t2～t3]電壓上升區(qū)。
在t=t2時，階段1結(jié)束，ugs下降到Io/Gm+UT，隨后，MOSFET開始進入線性放大區(qū)，Io-in-icf給寄生電容Cgd與Cds充電，uds開始上升，二極管電壓ucf下降，漏極電流iL下降， 由于密勒效應(yīng)的作用，ugs近似不變，即igs≈0，根據(jù)圖1采用回路電壓與節(jié)點電流法可得各量變化為：
（3）
若負載很小，此階段iL下降到0，MOSFET關(guān)斷。關(guān)斷后其工作狀況進入階段5。
階段3 [t3～t4]電流下降區(qū)Ⅰ。
在t3時刻，密勒效應(yīng)結(jié)束，uds上升到Uin，二極管Df開始導(dǎo)通，電流Io流Df分流。iDf從零開始增大，iL繼續(xù)減小，uds繼續(xù)增大，MOSFET仍工作在線性放大區(qū)，由于電感L的電流不能突變，此階段ugs與in變化緩慢，可將其視為常數(shù)。首先對階段2進行S域分析可得ugs（s）為：
（4）
其中：
（5）
利用終值定理可得t3時刻階in的值約為In∞且大小為：
（6）
此階段可將電路簡化為一個LC諧振電路，寄生電感L與MOSFET寄生電容Cds諧振，可得電壓uds為：
（7）
到t4時刻，漏極電流iL與溝道電流in相等，is=0，此階段結(jié)束，此時，uds達到其最高尖峰值Up，且大小為uds（t4）
這里要說明的是，有些文獻中認為當uds達到尖峰時漏極電流iL下降到零是不妥的，后面的實驗也證明了這一點。
階段4 [t4～t5]電流下降區(qū)Ⅱ。
漏極電流iL由于uds與Uin的作用將繼續(xù)減小。且漏極電流iL全部從MOSFET溝道流過，對電容Cds的充電電流很小，為了便于分析，此階段uds電壓可認為維持在Up并保持不變。in可等效受控于Up-UD，可得溝道電流in為：
（8）
到t5時刻，溝道電流in下降到零，ugs下降到UT，此過程結(jié)束。
階段5 [t5～t6]電壓衰減振蕩區(qū)。
在t5時刻，Q關(guān)斷。由于Q關(guān)斷，L與漏源極間電容Cds構(gòu)成串聯(lián)振蕩電路，線路總寄生電阻大小為R，Cds的初始電壓為uds（t5）≈Up，結(jié)合其等效電路與初始值可得。
此過程中uds及iL的大小為：
（9）
式（9）中：
（10）
到t6時刻，uds兩端電壓衰減至Uin，此過程結(jié)束。接下來uds=Uin，整個關(guān)斷過程結(jié)束。
2 實驗論證
在實驗室制作了一臺樣機，樣機采用Boost變換器。實驗參數(shù)為：輸入電壓200 V，輸出電壓380 V，額定功率1 kW，開關(guān)頻率65 kHz，濾波電感為1mH，寄生電感L=3uH，開關(guān)管為IRF460，二極管為RHRG15120，圖3為Boost變換器的功率MOSFET的關(guān)斷過程動態(tài)波形圖，從圖中可以看出五個階段iL，uds及ugs的變化，且變化過程與第2部分分析的各個階段一一對應(yīng)，另外，當uds達到尖峰時iL不為零，實驗很好的證明了這一點。
圖3 MOSFET關(guān)斷過程動態(tài)波形圖
3 結(jié)論
開關(guān)特性對開關(guān)器件的影響尤其重要，本文詳細分析了功率MOSFET的關(guān)斷過程，實驗論證了所分析的五階段過程正確性，為MOSFET的實際電路應(yīng)用提供了一定的參考。
參考文獻
[1]林渭勛.現(xiàn)代電力電子電路[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2002.
[2]王志強，王莉.一種新穎的MOSFET驅(qū)動電路[J].電力電子技術(shù)，2005，39（1）：92-94.
[3]包爾恒.MOSFET驅(qū)動電路分析與設(shè)計[J].通信電源技術(shù)，2013，30（2）：34-37.
[4]張元敏，方波，蔡子亮.實際應(yīng)用條件下Power MOSFET開關(guān)特性研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007（21）：175-178.
[5]Yuancheng Ren， Ming Xu， Jinghai Zhou， and Fred C. Lee.Analytical Loss Model of Power MOSFET[J].IEEE Trans. on Power Electronics，2006，21（2）：310-319.endprint
