MOS管開關電流知識-mosfet管開關電流波形問題分析

MOS管開關電路

MOS管開關電路是利用MOS管柵極（g）控制MOS管源極（s）和漏極（d）通斷的原理構造的電路。因MOS管分為N溝道與P溝道，所以開關電路也主要分為兩種。

P溝道MOS管開關電路

路編輯PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會導通，適合用于源極接VCC時的情況（高端驅動）。需要注意的是，Vgs指的是柵極G與源極S的電壓，即柵極低于電源一定電壓就導通，而非相對于地的電壓。但是因為PMOS導通內阻比較大，所以只適用低功率的情況。大功率仍然使用N溝道MOS管。

N溝道mos管開關電路

NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會導通，適合用于源極接地時的情況（低端驅動），只要柵極電壓大于參數手冊中給定的Vgs就可以了，漏極D接電源，源極S接地。需要注意的是Vgs指的是柵極G與源極S的壓差，所以當NMOS作為高端驅動時候，當漏極D與源極S導通時，漏極D與源極S電勢相等，那么柵極G必須高于源極S與漏極D電壓，漏極D與源極S才能繼續導通。

mosfet管開關電流波形問題分析

圖1

這里就用MOSFET代替BJT了，所以ids = ic，Vds=Vce，Coss也就是Cds代表輸出電容。簡單來說就是當MOS管一開始導通時輸出電容Coss還保持Vds電壓，隨著Ids電流越來越大，Vds電壓終于保持不住，開始下降。直到管子完全開啟。比較詳細的開啟過程是由Miller Plateau造成的，這里借用了網上一些解釋Miller Plateau的圖，如果有不清楚的就請見諒了。

階段1，Vgs 《 Vth，管子是關斷的，所以Ids = 0，Vds=high，ig充電Cgs。

階段2，Vgs 》 Vth，管子開啟，Ids從0增加到iL被外部電流源電感鉗住，Coss（Cds）上電壓不能突變，保持Vds。

階段3，進入Miller plateau，Vgs 》 Vth，管子仍然保持開啟，Coss開始discharge，Vds電壓開始下降，于此同時Cgd開始被ig充電。Vg保持不變。

階段4，Vd下降到接近0點，ig繼續給ig充電Cgs和Cgd充電。

階段5，Vg到達gate driver預定的電壓，管子開啟過程完成。

關斷過程和開啟過程類似，也會有Miller plateau效應。

我們可以看到，如果如果MOS管開啟時VDS上有原始電壓，那么MOS開啟過程中就會有Ids和Vds的重疊，那么會帶來Switching Loss。由于Coss上的能量在極短時間內被釋放，電容上能量會損失掉（換算為Loss為0.5*Coss*Vds^2*fs），而且只要是非零電壓開啟（Non Zero Voltage Switching），會給PCB和MOS的寄生電感與電容形成的諧振腔（resonant tank）引入比較大的dv/dt或者di/dt激勵，引起比較大的ringing，甚至超過管子的額定電壓，燒毀管子。

那么我們可以避免這種情況的發生嗎？答案是可以的，也就是很多人提到的Zero Voltage Switching，雖然會付出一定的代價。我們先看如何能實現軟開關開啟Zero Voltage Switching Turn on。

圖2

實現ZVS turn on很簡單，只需要在我們開啟管子前，Vds上的電壓為零就好，這樣Ids和Vds就沒有重疊了，turn on switching loss為零，沒有high di/dt， dv/dt問題，沒有ringing，完美！那么如何實現ZVS turn on呢？個人覺得分兩種情況討論：1為PWM converter，2為resonant converter（諧振變換器）。

一， 對于PWM converter，就拿最簡單的兩個管子的half bridge（其實也就是buck converter）做例子。

圖3

對于half bridge 實現ZVS turn on，我們希望當上管Q1開啟時電流是流進switching node （vsw）的，也就是圖中電感電流為負值，當下管Q2開啟時我們希望電流是流出switching node （vsw）的，也就是電感電流為正值。為什么這樣就可以實現ZVS turn on了呢？我們就看上管Q1開啟過程。如果電感電流iL為負，這時候我們先關閉Q2，這時候Q1還未開啟，在這個deadTIme中iL會charge Q2的Coss，使Vsw抬高到Vin，當然不能超過Vin，因為Q1的body diode會導通，鉗位住Vsw到Vin，這時候Q1的Vds就是Vin-Vsw=0，這時候我們開啟Q1就實現ZVS了。

同理對于Q2開啟時，如果電感電流為正，那么當我們首先關閉Q1管時，Vsw就會被電感電流拉低到0，因為iL》0， Q2的Coss會discharged到0，然后我們再開啟Q2，就可以達到ZVS了。這里我有一張其他Topology的PWM converter的波形圖，也和buck工作原理類似，大概可以看看基本原理，也就是電感電流為負時，Q1可以實現ZVS，讓Vsw的ringing比較小。而當電感電流為正時，實現不了ZVS，Vsw的ringing就比較大了。

圖4

二， 對于resonant converter，其實道理類似，我們也希望在我們開啟管子前，Vds上的電壓為零。那么對于resonant converter的half bridge，我們希望看到的impedance為inducTIve，也就是感性的，這樣switching node流出的電流I就會滯后于電壓V，現在ZVS turn on。

圖5

這是因為如果電流I是滯后與電壓V的，這樣在Q1開啟之前電流I為負值就會charge Q2的Coss，同時discharge Q1的Coss，讓V到Vin，這樣Q1就實現ZVS turn on了。Q2開啟之前，電流I為正，也會discharge Q2的Coss，和charge Q1的Coss，讓V到0，這樣Q2就實現ZVS了。

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