MOSFET作為開關器件,在驅動電路中主要用于控制電流的通斷,比如在DC-DC轉換器、電機驅動或者功率放大電路中。它的開關過程(開和關)會直接影響電路的效率、發熱和可靠性。“慢開快關”的這個設計原則,背后有什么電路設計原理呢?咱們從MOSFET的工作原理和實際應用場景來分析分析一下。
MOSFET的開關過程主要由柵極電壓Vgs控制,Turn-On時,柵極電壓Vgs從0V上升到閾值電壓Vth以上,MOSFET開始導通,漏極到源極的電阻RDS(on)迅速減小,電流開始流過。Turn-Off時,柵極電壓Vgs從高電平下降到低于Vth,MOSFET截止,漏極到源極變成高阻態,電流被阻斷。
開關過程并不是瞬間完成的,MOSFET的柵極有一個等效電容,包括柵極-源極電容Cgs和柵極-漏極電容Cgd,統稱為輸入電容Cis。驅動電路需要通過柵極電阻Rg給這個電容充放電,充放電速度直接決定了開關速度。
為什么可以慢開?
"慢開"指的是MOSFET從截止到導通的過程可以稍微慢一點,也就是讓VGS上升得慢一些。這主要是為了減少開關過程中的電磁干擾EMI和電壓尖峰。
降低di/dt,減少寄生電感引起的電壓尖峰:
當MOSFET導通時,漏極電流ID會迅速上升,di/dt很大。電路中不可避免地存在寄生電感,比如PCB走線、引腳電感等,根據電感電壓公式V=L*di/dt,di/dt越大,寄生電感上產生的電壓尖峰就越大。這個尖峰可能疊加到MOSFET的漏極-源極電壓Vds上,嚴重時可能超過MOSFET的耐壓,導致擊穿。
例子:假設電路中有10nH的寄生電感,MOSFET導通時電流從0A到10A只需要50ns(di/dt=10/50×10-9=2×108A/s),那么寄生電感上的電壓尖峰是:
如果開得更快,比如10ns內完成,di/dt變成10/10×10-9=109A/s,尖峰電壓就變成10V,可能就危險了。慢開可以降低di/dt,減少尖峰電壓,保護MOSFET。
減少EMI:
快速導通會導致電流和電壓的快速變化,產生高頻諧波,增加電磁干擾。慢開可以讓電流變化更平滑,降低高頻輻射,減少對周圍電路的干擾。
慢開的代價:
慢開會增加開關損耗。MOSFET在導通過程中,Vds逐漸下降,ID逐漸上升,這段時間內MOSFET處于線性區,損耗是P=Vds × ID。但在很多應用中(比如低頻開關),這個損耗可以接受。
為什么必須快關?
"快關"指的是MOSFET從導通到截止的過程要盡量快,也就是讓Vgs快速下降到低于Vth。這主要是為了減少關斷損耗和避免誤導通。
減少關斷損耗:
關斷時,MOSFET的Vds上升,ID下降,同樣會經歷一個線性區,產生損耗P=Vds×ID。如果關得慢,這個損耗時間會延長,總損耗增加,發熱也會更嚴重。
舉個例子,假設MOSFET關斷時,Vds從0V升到12V,ID從10A降到0A。如果關斷時間是100ns,平均損耗可以近似為:
總能量損耗(100ns內):
如果關斷時間縮短到20ns,能量損耗變成:
快關直接把損耗降低了5倍!在高頻開關應用,比如開關電源,開關頻率100kHz,這個損耗會累積,影響效率和發熱。
雖然"慢開快關"是理想原則,但實際設計中還得權衡,慢開太慢,導通損耗會增加,尤其在高頻應用中,損耗累積會導致效率下降和發熱。