分解开关电源中MOS管开关的全过程！

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2022年1月27日 16:27

MOS管datasheet基本参数中文解释

// 极限参数

ID：最大漏源电流。 是指场效应管正常工作时，漏源间所允许通过的最大电流。MOSFET的工作电流不应超过ID。此参数会随结温度的上升而有所减额。
IDM：最大脉冲漏源电流。 反映了器件可以处理的脉冲电流的高低，此参数会随结温度的上升而有所减小。
PD：最大耗散功率。 是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率。使用时，场效应管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量。此参数一般会随结温度的上升而有所减额。
VGS：最大栅源电压。 是指栅源间反向电流开始急剧增加时的VGS值
Tj：最大工作结温。 通常为150℃或175℃，器件设计的工作条件下须确应避免超过这个温度，并留有一定裕量。
TSTG： 存储温度范围。
V(BR)DSS ： 漏源击穿电压。是指栅源电压VGS为0时，场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压。加在场效应管上的工作电压必须小于V(BR)DSS。它具有正温度特性。故应以此参数在低温条件下的值作为安全考虑。
V(BR)DSS/△Tj： 漏源击穿电压的温度系数，一般为0.1V/℃。
RDS(on)： 在特定的VGS（一般为10V）、结温及漏极电流的条件下，MOSFET导通时漏源间的最大阻抗。它是一个非常重要的参数，决定了MOSFET导通时的消耗功率。此参数一般会随结温度的上升而有所增大。故应以此参数在最高工作结温条件下的值作为损耗及压降计算。
VGS(th)： 开启电压（阀值电压）。当外加栅极控制电压VGS超过VGS(th)时，漏区和源区的表面反型层形成了连接的沟道。应用中，常将漏极短接条件下ID等于1毫安时的栅极电压称为开启电压。此参数一般会随结温度的上升而有所降低。
IDSS： 饱和漏源电流，栅极电压VGS=0、VDS为一定值时的漏源电流。一般在微安级。
IGSS： 栅源驱动电流或反向电流。由于MOSFET输入阻抗很大，IGSS一般在纳安级。
gfs： 跨导。是指漏极输出电流的变化量与栅源电压变化量之比，是栅源电压对漏极电流控制能力大小的量度。
Qg： 栅极总充电电量。MOSFET是电压型驱动器件，驱动的过程就是栅极电压的建立过程，这是通过对栅源及栅漏之间的电容充电来实现的。
Qgs： 栅源充电电量。
Qgd： 栅漏充电电量。
Ciss： 输入电容，将漏源短接，用交流信号测得的栅极和源极之间的电容。Ciss= CGD + CGS 。对器件的开启和关断延时有直接的影响。
Coss： 输出电容，将栅源短接，用交流信号测得的漏极和源极之间的电容。Coss = CDS +CGD 。
Crss： 反向传输电容，在源极接地的情况下，测得的漏极和栅极之间的电容 Crss = CGD 。对于开关的上升和下降时间来说是其中一个重要的参数。
Td(on)： 导通延迟时间。从有输入电压上升到10%开始到VDS （Vout ）下降到其幅值90%的时间(如下图示)。
Tr： 上升时间。输出电压VDS （Vout ）从90%下降到其幅值10%的时间。
Td(off)： 关断延迟时间。输入电压下降到90%开始到VDS （Vout ）上升到其关断电压时10%的时间。
Tf： 下降时间。输出电压VDS （Vout ）从10%上升到其幅值90%的时间，参照下图所示。

// 雪崩击穿参数

如果电压超过漏源极限电压将导致器件处在雪崩状态.

EAS：单次脉冲雪崩击穿能量，说明MOSFET所能承受的最大雪崩击穿能量。
IAR：雪崩电流。
EAR：重复雪崩击穿能量。

// 体内二极管参数

IS：连续最大续流电流（从源极）。
ISM：脉冲最大续流电流（从源极）。
VSD：正向导通压降。
Trr：反向恢复时间。
Qrr：反向恢复充电电量。
Ton：正向导通时间（基本可以忽略不计）。

POWER MOSFET 等效模型

MOS管的驱动

在进行驱动电路设计之前，必须先清楚MOS管的模型、MOS管的开关过程、MOS管的栅极电荷以及MOS管的输入输出电容、跨接电容、等效电容等参数对驱动的影响。驱动电路的好坏直接影响了电源的工作性能及可靠性，一个好的MOSFET驱动电路的基本要求是：

开关管导通时，驱动电路应能提供足够大的充电电流使栅源电压上升到需要值，保证开关管快速开通且不存在上升沿的高频震荡。
开关管导通期间驱动电路能保证MOSFET栅源间电压保持稳定使其可靠导通。
关断瞬间驱动电路能提供一个低阻抗通路供MOSFET栅源间电压快速泻放，保证开关管能快速关断。
关断期间驱动电路可以提供一定的负电压避免受到干扰产生误导通。
驱动电路结构尽量简单，最好有隔离。

POWER MOSFET 驱动保护

// POWER MOSFET 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。

几种常见的MOSFET驱动电路

// 不隔离互补驱动电路

由于MOSFET为电压型驱动器件，当其关断时，漏源两端的电压的上升会通过结电容在栅源两端产生干扰电压，如图所示的电路不能提供负电压，因此其抗干扰性较差，有条件的话可以将其中的地换成-Vcc，以提高抗干扰性及提高关断速度。

// 隔离驱动电路

正激驱动电路

该驱动电路的导通速度主要与被驱动S1栅源极等效输人电容的大小、Q1的驱动信号的速度以及Q1所能提供的电流大小有关。

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

优点：

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。

缺点：

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。

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。

MOSFET导通过程详细分析

T0~T1：驱动通过RGATE对Cgs充电，电压Vgs以指数的形式上升。

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 。

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。

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。

// 重要说明

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 to Drain (“Miller”) Charge)。
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