本文首先從MOSFET的開通過程進行敘述：

 

盡管MOSFET在開關電源、電機控製等一些電子係統中得到廣泛的應用

，但是許多電子工程師並沒有十分清楚的理解MOSFET開關過程，以及MOSFET在開關過程中所處的狀態一般來說，電子工程師通常基於柵極電荷理解MOSFET的開通的過程，如圖1所示此圖在MOSFET數據表中可以查到

 

圖1 AOT460柵極電荷特性

 

MOSFET的D和S極加電壓為VDD
，當驅動開通脈衝加到MOSFET的G和S極時，輸入電容Ciss充電，G和S極電壓Vgs線性上升並到達門檻電壓VGS(th)，Vgs上升到VGS(th)之前漏極電流Id≈0A，沒有漏極電流流過，Vds的電壓保持VDD不變。

 

當Vgs到達VGS(th)時
，漏極開始流過電流Id，然後Vgs繼續上升
，Id也逐漸上升，Vds仍然保持VDD當Vgs到達米勒平台電壓VGS(pl)時，Id也上升到負載電流最大值ID，Vds的電壓開始從VDD下降。

 

米勒平台期間，Id電流維持ID，Vds電壓不斷降低。

 

米勒平台結束時刻
，Id電流仍然維持ID，Vds電壓降低到一個較低的值米勒平台結束後，Id電流仍然維持ID
，Vds電壓繼續降低，但此時降低的斜率很小，因此降低的幅度也很小
，最後穩定在Vds=Id×Rds(on)因此通常可以認為米勒平台結束後MOSFET基本上已經導通。

 

對於上述的過程，理解難點在於為什麼在米勒平台區，Vgs的電壓恒定?驅動電路仍然對柵極提供驅動電流，仍然對柵極電容充電，為什麼柵極的電壓不上升?而且柵極電荷特性對於形象的理解MOSFET的開通過程並不直觀因此，下麵將基於漏極導通特性理解MOSFET開通過程。

 

MOSFET的漏極導通特性與開關過程。

 

MOSFET的漏極導通特性如圖2所示MOSFET與三極管一樣，當MOSFET應用於放大電路時
，通常要使用此曲線研究其放大特性隻是三極管使用的基極電流、集電極電流和放大倍數，而MOSFET使用柵極電壓、漏極電流和跨導。

 

圖2 AOT460的漏極導通特性

 

三極管有三個工作區：截止區

、放大區和飽和區，MOSFET對應是關斷區、恒流區和可變電阻區注意：MOSFET恒流區有時也稱飽和區或放大區當驅動開通脈衝加到MOSFET的G和S極時，Vgs的電壓逐漸升高時，MOSFET的開通軌跡A-B-C-D如圖3中的路線所示

 

圖3 AOT460的開通軌跡

 

開通前，MOSFET起始工作點位於圖3的右下角A點，AOT460的VDD電壓為48V
，Vgs的電壓逐漸升高

，Id電流為0

，Vgs的電壓達到VGS(th)，Id電流從0開始逐漸增大

 

A-B就是Vgs的電壓從VGS(th)增加到VGS(pl)的過程從A到B點的過程中，可以非常直觀的發現，此過程工作於MOSFET的恒流區，也就是Vgs電壓和Id電流自動找平衡的過程，即Vgs電壓的變化伴隨著Id電流相應的變化，其變化關係就是MOSFET的跨導：Gfs=Id/Vgs，跨導可以在MOSFET數據表中查到

 

當Id電流達到負載的最大允許電流ID時，此時對應的柵級電壓Vgs(pl)=Id/gFS由於此時Id電流恒定

，因此柵極Vgs電壓也恒定不變

，見圖3中的B-C
，此時MOSFET處於相對穩定的恒流區
，工作於放大器的狀態

 

開通前，Vgd的電壓為Vgs-Vds，為負壓，進入米勒平台
，Vgd的負電壓絕對值不斷下降

，過0後轉為正電壓驅動電路的電流絕大部分流過CGD，以掃除米勒電容的電荷，因此柵極的電壓基本維持不變Vds電壓降低到很低的值後，米勒電容的電荷基本上被掃除，即圖3中的C點，於是
，柵極的電壓在驅動電流的充電下又開始升高

，如圖3中的C-D，使MOSFET進一步完全導通

 

C-D為可變電阻區，相應的Vgs電壓對應著一定的Vds電壓Vgs電壓達到最大值，Vds電壓達到最小值，由於Id電流為ID恒定，因此Vds的電壓即為ID和MOSFET的導通電阻的乘積

 

基於MOSFET的漏極導通特性曲線可以直觀的理解MOSFET開通時，跨越關斷區、恒流區和可變電阻區的過程米勒平台即為恒流區，MOSFET工作於放大狀態
，Id電流為Vgs電壓和跨導乘積

 

電路原理詳細說明：

 

MOS管是電壓控製器件，其極間電容等效電路如圖4所示。

 

圖4. 帶外接電容C2的N型MOS管極間電容等效電路

 

MOS管的極間電容柵漏電容Cgd
、柵源電容Cgs
、漏源電容Cds可以由以下公式確定：

 

 

公式中MOS管的反饋電容Crss,輸入電容Ciss和輸出電容Coss的數值在MOS管的手冊上可以查到。

 

電容充放電快慢決定MOS管開通和關斷的快慢，Vgs首先給Cgs 充電，隨著Vgs的上升，使得MOS管從截止區進入可變電阻區。進入可變電阻區後，Ids電流增大
，但是Vds電壓不變。隨著Vgs的持續增大，MOS管進入米勒平台區
，在米勒平台區
，Vgs維持不變
，電荷都給Cgd 充電
，Ids不變，Vds持續降低。在米勒平台後期
，MOS管Vds非常小，MOS進入了飽和導通期。為確保MOS管狀態間轉換是線性的和可預知的，外接電容C2並聯在Cgd上，如果外接電容C2比MOS管內部柵漏電容Cgd大很多
，就會減小MOS管內部非線性柵漏電容Cgd在狀態間轉換時的作用，另外可以達到增大米勒平台時間
，減緩電壓下降的速度的目的。外接電容C2被用來作為積分器對MOS管的開關特性進行精確控製。控製了漏極電壓線性度就能精確控製衝擊電流。

 

電路描述：

 

圖5所示為基於MOS管的自啟動有源衝擊電流限製法電路。MOS管 Q1放在DC/DC電源模塊的負電壓輸入端，在上電瞬間，DC/DC電源模塊的第1腳電平和第4腳一樣，然後控製電路按一定的速率將它降到負電壓，電壓下降的速度由時間常數C2*R2決定，這個斜率決定了最大衝擊電流。

 

C2可以按以下公式選定：

 

 

R2由允許衝擊電流決定：

 

 

其中Vmax為最大輸入電壓
，Cload為C3和DC/DC電源模塊內部電容的總和，Iinrush為允許衝擊電流的幅度。

 

圖5 有源衝擊電流限製法電路

 

 

D1是一個穩壓二極管

，用來限製MOS管 Q1的柵源電壓。元器件R1，C1和D2用來保證MOS管Q1在剛上電時保持關斷狀態。具體情況是：

 

上電後，MOS管的柵極電壓要慢慢上升，當柵源電壓Vgs高到一定程度後，二極管D2導通，這樣所有的電荷都給電容C1以時間常數R1×C1充電，柵源電壓Vgs以相同的速度上升，直到MOS管Q1導通產生衝擊電流。

 

以下是計算C1和R1的公式：

 

 

其中Vth為MOS管Q1的最小門檻電壓


，VD2為二極管D2的正向導通壓降
，Vplt為產生Iinrush衝擊電流時的柵源電壓。Vplt可以在MOS管供應商所提供的產品資料裏找到。

 

MOS管選擇

 

以下參數對於有源衝擊電流限製電路的MOS管選擇非常重要：

 

l 漏極擊穿電壓 Vds

 

必須選擇Vds比最大輸入電壓Vmax和最大輸入瞬態電壓還要高的MOS管
，對於通訊係統中用的MOS管
，一般選擇Vds≥100V。

 

l 柵源電壓Vgs

 

穩壓管D1是用來保護MOS管Q1的柵極以防止其過壓擊穿
，顯然MOS管Q1的柵源電壓Vgs必須高於穩壓管D1的最大反向擊穿電壓。一般MOS管的柵源電壓Vgs為20V，推薦12V的穩壓二極管。

 

l 導通電阻Rds_on.

 

MOS管必須能夠耗散導通電阻Rds_on所引起的熱量，熱耗計算公式為：

 

 

其中Idc為DC/DC電源的最大輸入電流，Idc由以下公式確定：

 

 

其中Pout為DC/DC電源的最大輸出功率，Vmin為最小輸入電壓
，η為DC/DC電源在輸入電壓為Vmin輸出功率為Pout時的效率。η可以在DC/DC電源供應商所提供的數據手冊裏查到。MOS管的Rds_on必須很小，它所引起的壓降和輸入電壓相比才可以忽略。

 

圖6. 有源衝擊電流限製電路在75V輸入，DC/DC輸出空載時的波形

 

設計舉例

 

已知：Vmax=72V

 

Iinrush=3A

 

選擇MOS管Q1為IRF540S

 

選擇二極管D2為BAS21

 

按公式(4)計算：C2>>1700pF。選擇 C2=0.01μF;

 

按公式(5)計算：R2=252.5kW。選擇 R2=240kW，選擇R3=270W<

 

按公式(7)計算：C1=0.75μF。選擇 C1=1μF;

 

按公式(8)計算：R1=499.5W。選擇 R1=1kW

 

圖6所示為圖5 電路的實測波形，其中DC/DC電源輸出為空載。

 

 

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