MOSFET作为开关器件,在驱动电路中主要用于控制电流的通断,比如在DC-DC转换器、电机驱动或者功率放大电路中。它的开关过程(开和关)会直接影响电路的效率、发热和可靠性。“慢开快关”的这个设计原则,背后有什么电路设计原理呢?咱们从MOSFET的工作原理和实际应用场景来分析分析一下。

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。
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为什么可以慢开?
"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=2×108A/s),那么寄生电感上的电压尖峰是:
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如果开得更快,比如10ns内完成,di/dt变成10/10×10-9=109A/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:
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总能量损耗(100ns内):

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如果关断时间缩短到20ns,能量损耗变成:
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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。

虽然"慢开快关"是理想原则,但实际设计中还得权衡,慢开太慢,导通损耗会增加,尤其在高频应用中,损耗累积会导致效率下降和发热。

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