功率MOSFET關斷過程五階段的研究

邱偉

摘 要 功率MOSFET常處于高頻開關狀態，關斷動態過程是開關特性的一個重要組成部分，文章對MOSFET的關斷過程分五個階段進行了詳細分析，并澄清一些文獻中不清晰之處，最后給出了實驗論證，實驗結果表明分析正確。

關鍵詞 功率MOSFET；關斷；動態過程

中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0174-02

目前，電力電子器件主要有功率二極管，功率MOSFET，IGBT等開關器件，實際中，這些器件在電路工作中處于開關狀態，且開關頻率很高，因此高頻開關信號下器件的動態性能顯得尤為重要[1，2]，而關斷過程是開關特性的一個重要組成部分，文獻[3]-[5]對MOSFET的關斷過程分為四階段，有些地方闡述不清晰，本文詳細分析了MOSFET的關斷過程，并將關斷過程分為五個階段來分析，最后進行了實驗論證，實驗結果表明分析的合理性。

1 MOSFET關斷過程的分析

圖1為典型的感性負載下MOSFET開關電路，圖中ug為輸入的PWM控制信號；L為分布寄生電感；Rg為MOSFET內部寄生電阻與外部驅動電阻之和；Q為被驅動的MOSFET且其寄生電容為Cgd，Cgs，Cds而且三者關系為輸入電容Ciss=Cgd+Cgs，輸出電容Coss=Cgd+Cds；Cf為二極管Df的寄生電容（考慮到Df具有理想恢復特性），另外，圖中給出了各個電量參數的參考方向。

圖1 具有感性負載的MOSFET開關電路

為了便宜分析，先做如下假設。

1）驅動脈沖信號ug為理想方波。

2）負載電路時間常數足夠大，負載電流IO可視為一個恒流源。

3）MOSFET直流跨導Gm和門檻電壓UT為一個恒值。

整個功率MOSFET的關斷過程中各個電量波形示意圖如圖2所示，t0～t1時刻為開關管MOSFET的導通狀態，二極管Df截止，負載電流Io流過MOSFET，t1時刻，ug降為0，功率開關管進入關斷過程，下面分5個階段予以詳細分析。

階段1 [t1～t2]關斷延遲區。

在t1時，驅動信號ug下降為零，MOSFET工作在通態電阻區，溝道電流in=IO，輸入電容Ciss通過驅動電阻Rg放電，柵源電壓

圖2 開關管關斷過程波形

ugs下降，各個電量關系為：

（1）

考慮初始時刻有ugs（0）=Ug，解式（1）得ugs的變化：

（2）

階段2 [t2～t3]電壓上升區。

在t=t2時，階段1結束，ugs下降到Io/Gm+UT，隨后，MOSFET開始進入線性放大區，Io-in-icf給寄生電容Cgd與Cds充電，uds開始上升，二極管電壓ucf下降，漏極電流iL下降， 由于密勒效應的作用，ugs近似不變，即igs≈0，根據圖1采用回路電壓與節點電流法可得各量變化為：

（3）

若負載很小，此階段iL下降到0，MOSFET關斷。關斷后其工作狀況進入階段5。

階段3 [t3～t4]電流下降區Ⅰ。

在t3時刻，密勒效應結束，uds上升到Uin，二極管Df開始導通，電流Io流Df分流。iDf從零開始增大，iL繼續減小，uds繼續增大，MOSFET仍工作在線性放大區，由于電感L的電流不能突變，此階段ugs與in變化緩慢，可將其視為常數。首先對階段2進行S域分析可得ugs（s）為：

（4）

其中：

（5）

利用終值定理可得t3時刻階in的值約為In∞且大小為：

（6）

此階段可將電路簡化為一個LC諧振電路，寄生電感L與MOSFET寄生電容Cds諧振，可得電壓uds為：

（7）

到t4時刻，漏極電流iL與溝道電流in相等，is=0，此階段結束，此時，uds達到其最高尖峰值Up，且大小為uds（t4）

這里要說明的是，有些文獻中認為當uds達到尖峰時漏極電流iL下降到零是不妥的，后面的實驗也證明了這一點。

階段4 [t4～t5]電流下降區Ⅱ。

漏極電流iL由于uds與Uin的作用將繼續減小。且漏極電流iL全部從MOSFET溝道流過，對電容Cds的充電電流很小，為了便于分析，此階段uds電壓可認為維持在Up并保持不變。in可等效受控于Up-UD，可得溝道電流in為：

（8）

到t5時刻，溝道電流in下降到零，ugs下降到UT，此過程結束。

階段5 [t5～t6]電壓衰減振蕩區。

在t5時刻，Q關斷。由于Q關斷，L與漏源極間電容Cds構成串聯振蕩電路，線路總寄生電阻大小為R，Cds的初始電壓為uds（t5）≈Up，結合其等效電路與初始值可得。

此過程中uds及iL的大小為：

（9）

式（9）中：

（10）

到t6時刻，uds兩端電壓衰減至Uin，此過程結束。接下來uds=Uin，整個關斷過程結束。

2 實驗論證

在實驗室制作了一臺樣機，樣機采用Boost變換器。實驗參數為：輸入電壓200 V，輸出電壓380 V，額定功率1 kW，開關頻率65 kHz，濾波電感為1mH，寄生電感L=3uH，開關管為IRF460，二極管為RHRG15120，圖3為Boost變換器的功率MOSFET的關斷過程動態波形圖，從圖中可以看出五個階段iL，uds及ugs的變化，且變化過程與第2部分分析的各個階段一一對應，另外，當uds達到尖峰時iL不為零，實驗很好的證明了這一點。

圖3 MOSFET關斷過程動態波形圖

3 結論

開關特性對開關器件的影響尤其重要，本文詳細分析了功率MOSFET的關斷過程，實驗論證了所分析的五階段過程正確性，為MOSFET的實際電路應用提供了一定的參考。

參考文獻

[1]林渭勛.現代電力電子電路[M].杭州：浙江大學出版社，2002.

[2]王志強，王莉.一種新穎的MOSFET驅動電路[J].電力電子技術，2005，39（1）：92-94.

[3]包爾恒.MOSFET驅動電路分析與設計[J].通信電源技術，2013，30（2）：34-37.

[4]張元敏，方波，蔡子亮.實際應用條件下Power MOSFET開關特性研究[J].現代電子技術，2007（21）：175-178.

[5]Yuancheng Ren， Ming Xu， Jinghai Zhou， and Fred C. Lee.Analytical Loss Model of Power MOSFET[J].IEEE Trans. on Power Electronics，2006，21（2）：310-319.endprint

摘 要 功率MOSFET常處于高頻開關狀態，關斷動態過程是開關特性的一個重要組成部分，文章對MOSFET的關斷過程分五個階段進行了詳細分析，并澄清一些文獻中不清晰之處，最后給出了實驗論證，實驗結果表明分析正確。

關鍵詞 功率MOSFET；關斷；動態過程

中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0174-02

目前，電力電子器件主要有功率二極管，功率MOSFET，IGBT等開關器件，實際中，這些器件在電路工作中處于開關狀態，且開關頻率很高，因此高頻開關信號下器件的動態性能顯得尤為重要[1，2]，而關斷過程是開關特性的一個重要組成部分，文獻[3]-[5]對MOSFET的關斷過程分為四階段，有些地方闡述不清晰，本文詳細分析了MOSFET的關斷過程，并將關斷過程分為五個階段來分析，最后進行了實驗論證，實驗結果表明分析的合理性。

1 MOSFET關斷過程的分析

圖1為典型的感性負載下MOSFET開關電路，圖中ug為輸入的PWM控制信號；L為分布寄生電感；Rg為MOSFET內部寄生電阻與外部驅動電阻之和；Q為被驅動的MOSFET且其寄生電容為Cgd，Cgs，Cds而且三者關系為輸入電容Ciss=Cgd+Cgs，輸出電容Coss=Cgd+Cds；Cf為二極管Df的寄生電容（考慮到Df具有理想恢復特性），另外，圖中給出了各個電量參數的參考方向。

圖1 具有感性負載的MOSFET開關電路

為了便宜分析，先做如下假設。

1）驅動脈沖信號ug為理想方波。

2）負載電路時間常數足夠大，負載電流IO可視為一個恒流源。

3）MOSFET直流跨導Gm和門檻電壓UT為一個恒值。

整個功率MOSFET的關斷過程中各個電量波形示意圖如圖2所示，t0～t1時刻為開關管MOSFET的導通狀態，二極管Df截止，負載電流Io流過MOSFET，t1時刻，ug降為0，功率開關管進入關斷過程，下面分5個階段予以詳細分析。

階段1 [t1～t2]關斷延遲區。

在t1時，驅動信號ug下降為零，MOSFET工作在通態電阻區，溝道電流in=IO，輸入電容Ciss通過驅動電阻Rg放電，柵源電壓

圖2 開關管關斷過程波形

ugs下降，各個電量關系為：

（1）

考慮初始時刻有ugs（0）=Ug，解式（1）得ugs的變化：

（2）

階段2 [t2～t3]電壓上升區。

在t=t2時，階段1結束，ugs下降到Io/Gm+UT，隨后，MOSFET開始進入線性放大區，Io-in-icf給寄生電容Cgd與Cds充電，uds開始上升，二極管電壓ucf下降，漏極電流iL下降， 由于密勒效應的作用，ugs近似不變，即igs≈0，根據圖1采用回路電壓與節點電流法可得各量變化為：

（3）

若負載很小，此階段iL下降到0，MOSFET關斷。關斷后其工作狀況進入階段5。

階段3 [t3～t4]電流下降區Ⅰ。

在t3時刻，密勒效應結束，uds上升到Uin，二極管Df開始導通，電流Io流Df分流。iDf從零開始增大，iL繼續減小，uds繼續增大，MOSFET仍工作在線性放大區，由于電感L的電流不能突變，此階段ugs與in變化緩慢，可將其視為常數。首先對階段2進行S域分析可得ugs（s）為：

（4）

其中：

（5）

利用終值定理可得t3時刻階in的值約為In∞且大小為：

（6）

此階段可將電路簡化為一個LC諧振電路，寄生電感L與MOSFET寄生電容Cds諧振，可得電壓uds為：

（7）

到t4時刻，漏極電流iL與溝道電流in相等，is=0，此階段結束，此時，uds達到其最高尖峰值Up，且大小為uds（t4）

這里要說明的是，有些文獻中認為當uds達到尖峰時漏極電流iL下降到零是不妥的，后面的實驗也證明了這一點。

階段4 [t4～t5]電流下降區Ⅱ。

漏極電流iL由于uds與Uin的作用將繼續減小。且漏極電流iL全部從MOSFET溝道流過，對電容Cds的充電電流很小，為了便于分析，此階段uds電壓可認為維持在Up并保持不變。in可等效受控于Up-UD，可得溝道電流in為：

（8）

到t5時刻，溝道電流in下降到零，ugs下降到UT，此過程結束。

階段5 [t5～t6]電壓衰減振蕩區。

在t5時刻，Q關斷。由于Q關斷，L與漏源極間電容Cds構成串聯振蕩電路，線路總寄生電阻大小為R，Cds的初始電壓為uds（t5）≈Up，結合其等效電路與初始值可得。

此過程中uds及iL的大小為：

（9）

式（9）中：

（10）

到t6時刻，uds兩端電壓衰減至Uin，此過程結束。接下來uds=Uin，整個關斷過程結束。

2 實驗論證

在實驗室制作了一臺樣機，樣機采用Boost變換器。實驗參數為：輸入電壓200 V，輸出電壓380 V，額定功率1 kW，開關頻率65 kHz，濾波電感為1mH，寄生電感L=3uH，開關管為IRF460，二極管為RHRG15120，圖3為Boost變換器的功率MOSFET的關斷過程動態波形圖，從圖中可以看出五個階段iL，uds及ugs的變化，且變化過程與第2部分分析的各個階段一一對應，另外，當uds達到尖峰時iL不為零，實驗很好的證明了這一點。

圖3 MOSFET關斷過程動態波形圖

3 結論

開關特性對開關器件的影響尤其重要，本文詳細分析了功率MOSFET的關斷過程，實驗論證了所分析的五階段過程正確性，為MOSFET的實際電路應用提供了一定的參考。

參考文獻

[1]林渭勛.現代電力電子電路[M].杭州：浙江大學出版社，2002.

[2]王志強，王莉.一種新穎的MOSFET驅動電路[J].電力電子技術，2005，39（1）：92-94.

[3]包爾恒.MOSFET驅動電路分析與設計[J].通信電源技術，2013，30（2）：34-37.

[4]張元敏，方波，蔡子亮.實際應用條件下Power MOSFET開關特性研究[J].現代電子技術，2007（21）：175-178.

[5]Yuancheng Ren， Ming Xu， Jinghai Zhou， and Fred C. Lee.Analytical Loss Model of Power MOSFET[J].IEEE Trans. on Power Electronics，2006，21（2）：310-319.endprint

摘 要 功率MOSFET常處于高頻開關狀態，關斷動態過程是開關特性的一個重要組成部分，文章對MOSFET的關斷過程分五個階段進行了詳細分析，并澄清一些文獻中不清晰之處，最后給出了實驗論證，實驗結果表明分析正確。

關鍵詞 功率MOSFET；關斷；動態過程

中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0174-02

目前，電力電子器件主要有功率二極管，功率MOSFET，IGBT等開關器件，實際中，這些器件在電路工作中處于開關狀態，且開關頻率很高，因此高頻開關信號下器件的動態性能顯得尤為重要[1，2]，而關斷過程是開關特性的一個重要組成部分，文獻[3]-[5]對MOSFET的關斷過程分為四階段，有些地方闡述不清晰，本文詳細分析了MOSFET的關斷過程，并將關斷過程分為五個階段來分析，最后進行了實驗論證，實驗結果表明分析的合理性。

1 MOSFET關斷過程的分析

圖1為典型的感性負載下MOSFET開關電路，圖中ug為輸入的PWM控制信號；L為分布寄生電感；Rg為MOSFET內部寄生電阻與外部驅動電阻之和；Q為被驅動的MOSFET且其寄生電容為Cgd，Cgs，Cds而且三者關系為輸入電容Ciss=Cgd+Cgs，輸出電容Coss=Cgd+Cds；Cf為二極管Df的寄生電容（考慮到Df具有理想恢復特性），另外，圖中給出了各個電量參數的參考方向。

圖1 具有感性負載的MOSFET開關電路

為了便宜分析，先做如下假設。

1）驅動脈沖信號ug為理想方波。

2）負載電路時間常數足夠大，負載電流IO可視為一個恒流源。

3）MOSFET直流跨導Gm和門檻電壓UT為一個恒值。

整個功率MOSFET的關斷過程中各個電量波形示意圖如圖2所示，t0～t1時刻為開關管MOSFET的導通狀態，二極管Df截止，負載電流Io流過MOSFET，t1時刻，ug降為0，功率開關管進入關斷過程，下面分5個階段予以詳細分析。

階段1 [t1～t2]關斷延遲區。

在t1時，驅動信號ug下降為零，MOSFET工作在通態電阻區，溝道電流in=IO，輸入電容Ciss通過驅動電阻Rg放電，柵源電壓

圖2 開關管關斷過程波形

ugs下降，各個電量關系為：

（1）

考慮初始時刻有ugs（0）=Ug，解式（1）得ugs的變化：

（2）

階段2 [t2～t3]電壓上升區。

在t=t2時，階段1結束，ugs下降到Io/Gm+UT，隨后，MOSFET開始進入線性放大區，Io-in-icf給寄生電容Cgd與Cds充電，uds開始上升，二極管電壓ucf下降，漏極電流iL下降， 由于密勒效應的作用，ugs近似不變，即igs≈0，根據圖1采用回路電壓與節點電流法可得各量變化為：

（3）

若負載很小，此階段iL下降到0，MOSFET關斷。關斷后其工作狀況進入階段5。

階段3 [t3～t4]電流下降區Ⅰ。

在t3時刻，密勒效應結束，uds上升到Uin，二極管Df開始導通，電流Io流Df分流。iDf從零開始增大，iL繼續減小，uds繼續增大，MOSFET仍工作在線性放大區，由于電感L的電流不能突變，此階段ugs與in變化緩慢，可將其視為常數。首先對階段2進行S域分析可得ugs（s）為：

（4）

其中：

（5）

利用終值定理可得t3時刻階in的值約為In∞且大小為：

（6）

此階段可將電路簡化為一個LC諧振電路，寄生電感L與MOSFET寄生電容Cds諧振，可得電壓uds為：

（7）

到t4時刻，漏極電流iL與溝道電流in相等，is=0，此階段結束，此時，uds達到其最高尖峰值Up，且大小為uds（t4）

這里要說明的是，有些文獻中認為當uds達到尖峰時漏極電流iL下降到零是不妥的，后面的實驗也證明了這一點。

階段4 [t4～t5]電流下降區Ⅱ。

漏極電流iL由于uds與Uin的作用將繼續減小。且漏極電流iL全部從MOSFET溝道流過，對電容Cds的充電電流很小，為了便于分析，此階段uds電壓可認為維持在Up并保持不變。in可等效受控于Up-UD，可得溝道電流in為：

（8）

到t5時刻，溝道電流in下降到零，ugs下降到UT，此過程結束。

階段5 [t5～t6]電壓衰減振蕩區。

在t5時刻，Q關斷。由于Q關斷，L與漏源極間電容Cds構成串聯振蕩電路，線路總寄生電阻大小為R，Cds的初始電壓為uds（t5）≈Up，結合其等效電路與初始值可得。

此過程中uds及iL的大小為：

（9）

式（9）中：

（10）

到t6時刻，uds兩端電壓衰減至Uin，此過程結束。接下來uds=Uin，整個關斷過程結束。

2 實驗論證

在實驗室制作了一臺樣機，樣機采用Boost變換器。實驗參數為：輸入電壓200 V，輸出電壓380 V，額定功率1 kW，開關頻率65 kHz，濾波電感為1mH，寄生電感L=3uH，開關管為IRF460，二極管為RHRG15120，圖3為Boost變換器的功率MOSFET的關斷過程動態波形圖，從圖中可以看出五個階段iL，uds及ugs的變化，且變化過程與第2部分分析的各個階段一一對應，另外，當uds達到尖峰時iL不為零，實驗很好的證明了這一點。

圖3 MOSFET關斷過程動態波形圖

3 結論

開關特性對開關器件的影響尤其重要，本文詳細分析了功率MOSFET的關斷過程，實驗論證了所分析的五階段過程正確性，為MOSFET的實際電路應用提供了一定的參考。

參考文獻

[1]林渭勛.現代電力電子電路[M].杭州：浙江大學出版社，2002.

[2]王志強，王莉.一種新穎的MOSFET驅動電路[J].電力電子技術，2005，39（1）：92-94.

[3]包爾恒.MOSFET驅動電路分析與設計[J].通信電源技術，2013，30（2）：34-37.

[4]張元敏，方波，蔡子亮.實際應用條件下Power MOSFET開關特性研究[J].現代電子技術，2007（21）：175-178.

[5]Yuancheng Ren， Ming Xu， Jinghai Zhou， and Fred C. Lee.Analytical Loss Model of Power MOSFET[J].IEEE Trans. on Power Electronics，2006，21（2）：310-319.endprint