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MOSFET的开启和关闭特性及驱动电路功耗计算

MOSFET的开启过程

MOSFET的开启过程分为四个阶段，每个阶段的特性如下：

第1阶段：栅极电压从0V上升至V_GS(th)：

特性：栅极电流主要给C_gs（栅源电容）充电，少量电流通过C_gd（栅漏电容）。

状态：MOSFET处于关断状态，V_DS保持高电平，漏极电流I_DS = 0。

第2阶段：栅极电压从V_GS(th)上升至平台电压V_PLATEAU：

特性：栅极电流继续给C_gs充电，少量电流通过C_gd。

状态：MOSFET开始导通并进入饱和状态，V_DS缓慢下降，I_DS开始上升并与栅极电压成正比。

导通电阻：此时导通电阻较大，I_DS上升到最大值。

第3阶段：栅极电压保持平台电压V_PLATEAU：

特性：栅极电流主要给C_gd充电，C_gs储存的电荷全部释放。

状态：MOSFET仍处于饱和状态，V_DS迅速下降，I_DS保持不变。

第4阶段：栅极电压从V_PLATEAU继续升高：

特性：C_gs和C_gd继续充电。

状态：MOSFET退出饱和状态，进入完全导通状态。

MOSFET的关闭过程

关闭过程与开启过程类似，但方向相反：

第1阶段：栅极电压从高电平下降至V_PLATEAU，MOSFET从完全导通状态进入饱和状态。

第2阶段：栅极电压保持V_PLATEAU，C_gd放电，V_DS开始上升。

第3阶段：栅极电压从V_PLATEAU下降至V_GS(th)，MOSFET从饱和状态进入关断状态。

第4阶段：栅极电压继续下降至0V，MOSFET完全关断。

驱动电路功耗计算

驱动电路的功耗主要来自栅极电容的充放电过程。栅极电压与栅极电流的关系为：

其中：

V DRV ：驱动电压。

V GS ：栅极实际电压。

R GE ：栅极端等效电阻，包括驱动电路内阻、限流电阻和MOSFET内部等效电阻。

功耗计算：

开启功耗：

栅极电容充电所需的能量为：

其中，C iss 为输入电容（C_iss = C_gs + C_gd）。

关闭功耗：

栅极电容放电所需的能量为：

 总功耗：

每个开关周期的总功耗为：

其中，

f SW 为开关频率。

对栅极电流进行积分可得到栅极充电的电量,可获取Qcs:

由于栅极电压是线性上升的,根据t的计算结果,可以得到第1阶段的时间为,第2阶段时间为。

第3阶段为恒流充电,因此。

下面看图：

开启过程：

而在这个过程中,充电驱动器需要给MOSFET提供的功率为:Pc=C·Vev'FswQc·Vov·Fsw,驱动电路内阻、限流电阻和MOSFET内部等效电阻分别消耗了这部分的功耗。由于电流都是相同的,这个分配的比例是与电阻阻值成正比的。

按照上面的分析,对驱动端的电流和电压的假设比较接近于实际的电路。但是对于漏极和源极之间的电流和电压过程,只能得到一个理想的结果,上面是基于负载是电流源的情况下进行分析的,如图所示,事实上大部分教材和应用手册都是这样讲述的。在实际的应用中,应用的都是带负载的恒压源,如图所示。

由于这两者存在较大的差距,因此其分析过程都是不同的。前者由于电流源的作用,在第2阶段就上升到了最大值;后者由于实际负载R,客观存在,负载电流是和Vop-V相关的,因此实际的电流变化过程持续时间较长,其电流的计算为:I=(Vo-Vs)/RL。因此,在很多文献中提到的计算公式和功率分析过程如图所示。

图是INFENION公司BTS149的测试波形,从中可以发现实际的并不是像理想的分析那样,整个开启时的功耗为 Pь=VosXIь=VsX(Vmp-Vs)/R.。

总结：

MOSFET的开启和关闭过程分为四个阶段。在开启过程中，栅极电压从0V上升至V_GS(th)，主要给C_gs充电，MOSFET处于关断状态。随后，栅极电压上升至平台电压V_PLATEAU，MOSFET开始导通并进入饱和状态，I_DS上升。在第三阶段，栅极电压保持V_PLATEAU，C_gd充电，V_DS迅速下降。最后，栅极电压继续升高，MOSFET进入完全导通状态。关闭过程与开启过程相反。

驱动电路的功耗主要来自栅极电容的充放电。栅极电流与电压的关系为I_G = (V_DRV - V_GS) / R_GE。开启和关闭功耗分别为E_ON = 0.5 * C_iss * V_DRV²和E_OFF = 0.5 * C_iss * V_DRV²，总功耗为P_SW = (E_ON + E_OFF) * f_SW。

实际应用中，负载为恒压源时，电流变化过程较长，I_DS = (V_OP - V_S) / R_L。驱动电路的功耗分配与电阻阻值成正比。实际波形与理想分析存在差异，需根据具体负载条件进行调整。