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MOS管开关过程分析

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楼主
在看MOS管规格书中,对这种栅极驱动电压波形和输出电流波形变化的示意图。有些会不能理解,为什么栅极电压达到了MOS管的开启阈值电压Vgs_th, 漏源级的沟道电流ID已经出现,但是漏源级的电压VDS依然是保持不变,直到栅极电压到了米勒平台电压VDS,才开始变得下降。要认识这个过程,就得从这张波形图实际的测试场景出发,理解这张图是在什么样的电路图中测试得到的。
这种测试波形是基于电感钳位模型得到的,网上找到资料对下图模型进行分析:MOSD极负载是电感加续流二极管,工作模式和DC-DC BUCK一样,当MOS管导通时,VDD对电感L进行充电,因为MOS管导通时间极短,可以近似电感为一个恒流源,在MOS管关闭时,续流二极管给电感L提供一个泄放路径,形成续流。
这种解释起来比较抽象,看完之后还是没有很直观的理解,所以直接用Buck电路的仿真数据说明更加直接:
此时BUCK电路的上管Q1VGS电压,VDS电压,开关节点SW电压,漏源电路Id
这个仿真结果和MOS管给出的波形基本是一致是,在时间周期T2内,上管Q1栅极电压达到阈值电压Vgs-th之前,漏源级的沟道电流Id-Q1慢慢增加,但是其漏源级Vds是没有变化,由于电感L1是恒流源,在T2周期,IL1=Id-Q1+IR7, 此时下管Q2通过其体二极管在续流。
那么上管Q1Vds没有变化的原因:是由于体二极管的钳位作用,VSW的电压一直是-0.7V,保持不变,所以上管Q1Vds电压也不会发生变化。
但随着上管Q1漏源级的沟道电流Id-Q1的增加,那么下管Q2的体二极管续流电流必然减小,当Q1的栅极电压到达米勒平台电压,Q1漏源级的沟道电流Id-Q1的电流达到最大,也就等于电感电流IL,也就是仿真图的X点,此时下管Q2的体二极管不能续流,体二极管关闭,也就不能将SW的电压钳位,所以Q1Vds电压开始下降了。
信心的工程师朋友发现,Q1漏源级的沟道电流Id-Q1等于电感电流IL后,并没有保持不变,还是继续上升,和规格书中给出的图形不一样。这个就是理想MOS管和实际MOS管的区别了,下管Q2的体二极管关闭的过程,不是马上关闭。二极管从导通到关闭,有一个反向恢复的时间,二极管的结电容在关闭的时候会产生巨大的反向恢复电流。
通过一个简单的二极管关闭仿真电路,就可以看到,二极管关闭的时候,会产生反向恢复电流。主要是二极管的PN结造成的,在二极管导通的时候,空间电荷区的N级有空穴,P级有电子,当二极管关闭的时候,电压反向,N级的空穴就会快速跑回P级,就形成大的反向恢复电流。
接着讨论MOS管的开通过程,当米勒平台时间结束后,Q1Vds电压也快降低到GND电平,也就完成一个周期的开启。如果忽略二极管的反向恢复电流,基于Buck电路仿真的波形和MOS管的规格书给出的波形是一致的。
对于一般的MOS管开关电路,就不是其规格书给出的波形,在栅极电压达到阈值电压后,沟道开启,漏源级的沟道电流Id-Q1电流产生的时候,其漏源电压Vds电压就会下降,感兴趣的朋友可以仿真看一下。

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21ic小管家 打赏了 40.00 元 2023-06-07
理由:签约作者奖励

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王栋春 2023-5-5 22:16 回复TA
楼主有关于钳位二极管和自举电容原理的资料吗? 

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