▼关注微信公众号:硬件那点事儿▼
Part 01
前言
MOSFET的开关过程主要由栅极电压Vgs控制,Turn-On时,栅极电压Vgs从0V上升到阈值电压Vth以上,MOSFET开始导通,漏极到源极的电阻RDS(on)迅速减小,电流开始流过。Turn-Off时,栅极电压Vgs从高电平下降到低于Vth,MOSFET截止,漏极到源极变成高阻态,电流被阻断。
开关过程并不是瞬间完成的,MOSFET的栅极有一个等效电容,包括栅极-源极电容Cgs和栅极-漏极电容Cgd,统称为输入电容Cis。驱动电路需要通过栅极电阻Rg给这个电容充放电,充放电速度直接决定了开关速度。
Part 02
分析
"慢开"指的是MOSFET从截止到导通的过程可以稍微慢一点,也就是让VGS上升得慢一些。这主要是为了减少开关过程中的电磁干扰EMI和电压尖峰。
降低di/dt,减少寄生电感引起的电压尖峰:
当MOSFET导通时,漏极电流ID会迅速上升,di/dt很大。电路中不可避免地存在寄生电感,比如PCB走线、引脚电感等,根据电感电压公式V=L*di/dt,di/dt越大,寄生电感上产生的电压尖峰就越大。这个尖峰可能叠加到MOSFET的漏极-源极电压Vds上,严重时可能超过MOSFET的耐压,导致击穿。
例子:假设电路中有10nH的寄生电感,MOSFET导通时电流从0A到10A只需要50ns(di/dt=10/50×10^-9=2×10^8A/s),那么寄生电感上的电压尖峰是:
如果开得更快,比如10ns内完成,di/dt变成10/10×10^-9=10^9A/s,尖峰电压就变成10V,可能就危险了。慢开可以降低di/dt,减少尖峰电压,保护MOSFET。
减少EMI:
快速导通会导致电流和电压的快速变化,产生高频谐波,增加电磁干扰。慢开可以让电流变化更平滑,降低高频辐射,减少对周围电路的干扰。
慢开的代价:
慢开会增加开关损耗。MOSFET在导通过程中,Vds逐渐下降,ID逐渐上升,这段时间内MOSFET处于线性区,损耗是P=Vds × ID。但在很多应用中(比如低频开关),这个损耗可以接受。
为什么必须快关?
"快关"指的是MOSFET从导通到截止的过程要尽量快,也就是让Vgs快速下降到低于Vth。这主要是为了减少关断损耗和避免误导通。
减少关断损耗:
关断时,MOSFET的Vds上升,ID下降,同样会经历一个线性区,产生损耗P=Vds×ID。如果关得慢,这个损耗时间会延长,总损耗增加,发热也会更严重。
举个例子,假设MOSFET关断时,Vds从0V升到12V,ID从10A降到0A。如果关断时间是100ns,平均损耗可以近似为:
总能量损耗(100ns内):
如果关断时间缩短到20ns,能量损耗变成:
快关直接把损耗降低了5倍!在高频开关应用,比如开关电源,开关频率100kHz,这个损耗会累积,影响效率和发热。
Part 03
总结
有问题欢迎在评论区留言交流哦!