为什么经常要求MOS管快速关断,而不要求MOS管快速开通?

原创 硬件工程师炼成之路 2025-04-07 08:02

上期文章“MOS管损耗理论计算公式推导及LTspice仿真验证”我们理论计算了MOS管的开关损耗。这期来说明一个问题:为什么我们很多时候要求MOS管快速关断,而没有要求MOS管快速开通?

下面是常见的MOS管的驱动电路

MOS管快关的原理

还是先简单介绍下快关的原理

我们知道,MOS管开通和关断的过程,就是MOS管栅极电容充电和放电的过程,所以呢,栅极串联的电阻越大,那么充放电速度越慢,开通和关断越慢。当没有二极管D和电阻Rs_off,开通时充电和关断时放电的串联电阻都是Rs_on,二者是一样的

那为什么加上二极管D和电阻Rs_off(有时Rs_off=0Ω,即没有这个电阻)就可以实现快关呢?

当要开通MOS时,驱动器输出驱动电压Vg_drive,此后一直到MOS管完全开通,Vg_drive都大于MOS的栅极电压,因此二极管不导通,所以,相当于Vg_drvie通过电阻Rs_on给栅极进行充电。我们也可以看出,加不加这个Rs_off和二极管D,对于MOS管的开通速度是没有影响的。

当要关断MOS时,Vg_driveGND,栅极电压大于Vg_drive,因此二极管导通,相当于栅极通过Rs_off并联Rs_on进行放电(严格来说,这里面还有一个二极管的导通压降,并不是很严谨)。我们知道,2个电阻并联之后,电阻要小于并联之前的2个电阻的任何一个。因此,放电时的等效串联电阻为Rs_off//Rs_on,要小于开通时的串联电阻Rs_on,而电阻越小,充放电速度越快,因此我们说,加上这个Rs_off和二极管D可以加速关断

回到我们最开始的问题,为什么我们要专门增加二极管让关断更快一点呢?

这是因为如果电阻一样的话,关断本身耗时就会长一点,那为什么关断时间会更长?明明充放电的电阻阻值一样?

同电阻时为什么关断时间会更长

结合上一期的内容,我知道,MOS管开通的损耗发生的区域主要在t2t3时间段,关断损耗主要发生在t6t7阶段,如下图所示:

t2t7阶段的差异

我们知道开通的t2阶段和关断的t7阶段互为逆过程:

t2阶段:栅极从门限电压Vgs(th)充电到米勒平台电压Vgp的时间

t7阶段:栅极从米勒平台电压Vgp放电到门限电压Vgs(th)的时间

既然互为逆过程,那这个两个时间不应该一样?直觉好像是这样的,但实际是不同的,因为充电和放电的曲线是不一样的。

MOS管开通和关断的电路模型对比如下图。

我们画出RC电路的充放电曲线如下图:

可以看到,充电时,电压开始上升很快,后面越来越慢,而放电时,也是开始很快,后面很慢

而一般MOSVgs_th也就2V左右,Vgp也就比Vgs_th1~2V左右,比如以TINMOS为例:Vgs(th)=1.3VVgp=2.5V

很多功率驱动电路,驱动器输出电压常大于10V,比Vgs_thVgp大比较多。

开通过程中对栅极进行充电,Vgs_thVgp相对于充电初始电压0V比较近,因此处于充电曲线的前期阶段,充电会比较快,耗时会比较短

而关断过程中对栅极放电,Vgs_thVgp相对于放电初始电压Vg_drvie比较远,因此处于充电曲线的较后期阶段,放电比较慢,耗时会比较长

综上,t2,这一特点我们从曲线上也可以很直观的看出来。

说完了为什么t2,我们再来看下t3t6的情况

t3为什么也比t6时间要短?

类似于t2t7,开通的t3阶段和关断的t6阶段互为逆过程:

t3阶段:开通过程中米勒平台电压Vgp持续的时间

t6阶段:关断过程中米勒平台电压Vgp持续的时间

首先,我们要知道,米勒平台充电或者放电对应的电荷量都是一样多的,都是米勒平台电荷量Qgd

其次,不论是开通,还是关断过程中,其米勒平台电压持续时间内,栅极电压都维持米勒平台电压Vgp不变。

充电时,充电电流为Ig()=Vg_drive-Vgp/R

放电时,栅极电流为Ig()=  Vgp/R

前面说到,Vg_drive很多时候大于10VVgp2~3V,因此易得,Ig()>Ig(),而充电和放电的电荷量都为Qgd,因此充电时间<放电时间,即t3

现在我们知道了,t2t3

因此总的开通时间t2+t3 < 总的关断时间t7+t6

其实,我们从第一期举的例子也可以看出来,在不加二极管的情况下,关断时间是要比开通时间要长不少的,具体如下图所示:

由上图可知:

t2=18ns,比t7= 88.6ns要小很多

t3=29.8ns,比t6=104.5ns也要小很多

小结

尽管从上一期的内容,我们可以直接得到开通时间和关断时间,但是我还是又定性的又分析了一遍,因为公式总是冰冷的,本期文章能够更通俗易懂的说明为什么关断时间更长:

门限电压Vgs_th和米勒平台电压Vgp一般只有1~3V,比栅极驱动电压小比较多,这造成充电快,放电慢,因此开通快,关断慢。

以上内容纯属个人观点,如有问题,欢迎留言交流。

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