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→将靠近栅极下方的空穴向下排斥
→形成耗尽层
再增加Vgs
→纵向电场将P区少子(电子)聚集到P区表面
→形成源漏极间的N型导电沟道
→如果此时加有漏源电压,就可以形成漏极电流id
(3)输出特性曲线
MOS的输出特性曲线是指在栅源电压Vgs>
VGS(th)且恒定的情况下,漏极电流id与漏源电压Vds之间的关系,可以分为以下4段:
线性区
当Vds很小时,沟道就像一个阻值与Vds无关的固定电阻,此时id与Vds成线性关系
过渡区
随着Vds增大,漏极附近的沟道变薄,沟道电阻增大,曲线逐渐下弯。
当Vds增大到Vdsat(饱和漏源电压)时,漏端处可动电子消失,此时沟道被夹断
饱和区
当Vds>
Vdsat时,沟道夹断点向左移,漏极附近只剩下耗尽区,此时id几乎与Vds无关而保持idsat不变,曲线为水平直线
击穿区
Vds继续增大到BVds时,漏结发生雪崩击穿,id急剧增大
将各曲线的夹断点用虚线连接起来,虚线左侧为可变电阻区,右侧为饱和区。
Vgs<
VGS(th)时,称为截止区。
(4)转移特性
漏源电压Vds一定的条件下,栅源电压Vgs对漏极电流id的控制特性。
可根据输出特性曲线作出移特性曲线。
例:
作Vds=10V的一条转移特性曲线。
MOS管的驱动
MOS管的模型
Ciss=
CGD+
CGS
Coss=
CDS+CGD
Crss=
CGD
(1)T0~T1:
驱动通过RGATE对Cgs充电,电压Vgs以指数的形式上升
(2)T1~T2:
Vgs达到MOSFET开启电压,MOSFET进入线性区,Id缓慢上升,至T2时刻Id到达饱和或是负载最大电流。
在此期间漏源极之间依然承受近乎全部电压Vdd
。
(3)T2~T3:
T2时刻Id达到饱和并维持稳定值,MOS管工作在饱和区,Vgs固定不变,电压Vds开始下降。
此期间Cgs不再消耗电荷,VDD开始给Cgd提供放电电流。
(4)T3~T4:
电压Vds下降到0V,VDD继续给Cgs充电,直至Vgs=VDD,MOSFET完成导通过程。
Vgs的各个阶段的时间跨度同栅极消耗电荷成比例(因△Q
=
IG△T,而IG在此处为恒流源之输出)。
T0
~
T2跨度代表了Ciss(VGS+
CGD)所消耗的电荷,对应于器件规格书中提供的参数Qgs(Gate
to
Source
Charge)。
T2
T3跨度代表了CGD(或称为米勒电容)消耗的电荷,对应于器件规格书中提供的参数Qds(Gate
Drain
(“Miller”)
T3时刻前消耗的所有电荷就是驱动电压为Vdd、电流为Id的MOSFET所需要完全开通的最少电荷需求量。
T3以后消耗的额外电荷并不表示驱动所必须的电荷,只表示驱动电路提供的多余电荷而已。
开关损失:
在MOSFET导通的过程中,两端的电压有一个下降的过程,流过的电流有一个上升的过程,那么这段时间里,MOS管损失的是电压和电流的乘积,称为开关损失。
导通损耗:
MOS管在导通之后,电流在导通电阻上消耗能量,称为导通损耗。
POWER
MOSFET
驱动保护
导通过程中,为防止误导通,G-S间应并一个电阻。
关断过程中,为防止关断时误导通,G-S间应提供一个低阻抗回路
驱动电阻的影响
驱动电阻增大,驱动上升变慢,开关过程延长,对EMI有好处,但是开关损耗会增大,因此选择合适的驱动电阻很重要。
常见的MOSFET驱动电路
不隔离互补驱动电路
R为驱动限流电阻,一般用作抑制呈现高阻抗特性的驱动回路可能产生的寄生振荡。
隔离驱动电路
正激驱动电路
N3为去磁绕组,S1为要驱动的功率管。
R2为防止功率管栅源电压振荡的一个阻尼电阻。
R1为正激变换器的假负载,用于消除关断期间输出电压发生振荡而误导通,并作为MOSFET关断时的能量泄放回路
优点:
电路简单,并实现了隔离驱动。
只需单电源即可提供导通时的正电压及关断时的负电压。
占空比固定时,通过合理的参数设计,此驱动电路也具有较快的开关速度。
缺点:
由于变压器副边需要一个较大的防振荡电阻,该电路消耗比较大。
当占空比变化时关断速度变化加大。
脉宽较窄时,由于储存的能量减少导致MOSFET关断速度变慢
有隔离变压器互补驱动电路
该电路比较适用于占空比固定或占空比变化范围不大及占空比小于0.5的场合
电路简单可靠,具有电气隔离作用。
当脉宽变化时,驱动的关断能力不会随着变化。
该电路只需一个电源,隔直电容C的作用在关断时提供一个负压,从而加速了功率管的关断,有较高的抗干扰能力。
输出电压幅值会随着占空比变化而变化。
当D较小时,负电压较小,抗干扰能力变差,同时正向电压高,应注意不要超过栅源允许电压;
当D大于0.5时,正向电压降低,负电压升高,应注意使其负电压不要超过栅源允许电压。
该电路比较适用于大于0.5的场合
此时副边绕组负电压值较大,稳压二极管Z2的稳压值为所需的负向电压值,超过部分电压降在电容C2上。
其他简单直流驱动电路
(1)比较器阈值控制
(2)常用三极管控制MOS管
其中,R3的作用是保护作用,防止误导通。
关于寄生二极管
生产工艺造成的,大功率MOS管漏极从硅片底部引出,就会有这个寄生二极管。
每个单独封装的MOS都有寄生二极管。
当电路中产生很大的瞬间反向电流时(ESD),就可以通过这个二极管导出,保护了MOS管的D极和S极。
如果没有这个二极管,就有可能击穿这个MOS管了。
ESD(Electro-Staticdischarge)静电释放,此时二极管相当于TVS吸收静电保护MOS管。
由于MOS管工作频率比较高,所以它的寄生二极管工作频率也要高,就是说它的反向恢复时间很短(Trr),所以也就相当于一个快恢复二极管了。
MOS管的小信号等效模型
简单等效模型不考虑二级效应,计算简单方便
完整模型考虑了衬底电压VB,r0由沟道长度调制效应引起,gmbVBS由体效应引起
不管怎样的电路,求解输出等效电阻Rout,在用GmRout方法计算是常用方法。
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