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MOSFET的开通和关断

如同IGBT,在MOSFET 开通后的数十纳秒内,漏极-源极电压会迅速下降到通态压降值:
VDS(on) = ID · RDS(on)
开通:0 到t1 时间段 (晶体管截止状态)
随着开通栅极电压,栅极电流iG开始流动。在达到电荷量QG1 之前,电流iG对栅极电容CGS 充电,栅极-发射极电压VGS 按照一个时间常数 上升,这个时间常数时由MOSFET 的输入电容和栅极控制回路的电阻决定的。因为电压VGS 小于门限电压VGS(th),所以在这个时间段没有漏极电流。
开通:t1 到t2 时间段 (漏极电流上升)
在达到门限电压VGS(th) (t1)后,漏极电流开始上升,同样,MOSFET 的电压VGS 也上升,因为在主动工作区中,它同电流和电流上升率gfs 的关系为ID = gfs · VGS。这种状态一直到t2 时刻,VGS1 = ID/gfs (时刻 t2)。因为直到t2 时刻续流二极管才关闭,所以在t2时刻以前,VDS 不会降到额定值。在t2 时刻时在基极存储的电量为电量QG2。MOSFET 所产生的大部分损耗出现在这个时间段中,因为当电流iD 小于负载电流IL
时,必须有一部分电流流过续流二极管,而这时的集电极-发射极电压vDS 还没有在驱动电压VDD 下降,图2.4.19 给出了电压VDD 和vDS 偏差,这个偏差主要是由MOSFET和换流回路中寄生电感上的电压差所引起的。
开通:t2 到t3 时间段 (开通晶体管在主动区域)
随着续流二极管的关断,电压VDS 开始下降。到t3 时刻已接近通态压降V DS(on) =ID • RDS(on)。在t2 到t3 时间段中,漏极电流同栅极控制电压还保持转移率的关系,所以电压VGS 保持一个固定值。在电压VDS 下降过程中栅极电流IG 向米勒电容CDG充电,充电量为(QG3-QG2)。在t3 时刻时在基极的电荷量为QG3。经过换流全部负载电流IL流过MOSFET 时,续流二极管进入截止状态。因为续流二极管的延迟时间,在续流二极管进入截止时,MOSFET 的漏极电流iD 还会保持上升,使二极管的反向电流IRRM超过电流IL。这使二极管中的截止延迟电荷量Qrr 下降。(请参照第3.4.2 章节的解释和定义)
开通:t3 到t4 时间段 (欧姆区)
MOSFET 在t3 时刻被完全开通,它的工作点通过了主动区开始进入欧姆区。电压VGS同电流ID 不再通过转移率gfs 有联系。此时,栅极增加的电荷量(QGtot -QG3)使栅极电压VGS 进一步上升,只至达到VGG。
关断
我们可以把关断时理解成开通的反向工作流程形式,在栅极的电荷QGtot 必须通过控制电流释放掉。与IGBT 不同,功率MOSFET 模块在原则上不必一定需要一个负的栅极电压,而当电源VGS 为零时就行。
在MOSFET 关断时,首先内部电容释放电荷,这些电荷在流通区域内被清除。所以,在这个区域内,中性干扰会很快被消除,漏极电流在开始阶段下降很快。图2.4.19 中69
给出了在关断后电压VDS 产生上冲,并超过电压VDD,造成的主要原因是换流电路内的寄生感应电感和MOSFET 在关闭时增加的电流变换率dic/dt。同MOSFET 一样,当晶体管构成的开关同理想硬性开关相差越大,栅极-源极电压波形的台阶就越模糊。在用续流二极管构成的硬性开关特性是非常复杂的。
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