MOS管开关电流波形分析MOS损坏及解决方案-竟业电子

NMOS管特性

Vgs  > 一定值，导通，

应用：源极接地，低端驱动；

栅极电压 > 参数手册中给定Vgs，漏极D接电源，源极S接地。

Vgs是栅极G与源极S的电压差；

NMOS作为高端驱动，当漏极D与源极S导通，漏极D电势=源极S电势，

栅极G电压 > 源极S与漏极D电压，漏极D与源极S继续导通。

 

MOS管开关电流波形分析

如上图所示：

MOS代替双极结型管

ids = ic   Vds=Vce   Coss=Cds 输出电容

MOS管开始导通，输出电容Coss保持Vds电压，Ids电流不断变大，Vds电压开始下降，直到MOS管完全开启。

 

开启过程由Miller Plateau造成的

第一阶段：Vgs < Vth  MOS管关断，Ids = 0 Vds=high   ig充电Cgs； 

第二阶段：Vgs > Vth  MOS管开启，Ids从0增加到iL被外部电流源电感钳住，Coss（Cds）的电压不变保持Vds；

第三阶段：Miller plateau，Vgs > Vth  MOS管保持开启，Coss开始discharge，Vds电压开始下降，Cgd开始被ig充电，Vg不变；

第四阶段：Vd下降至0点附近，ig继续给Cgs，Cgd充电；

第五阶段：Vg到gate driver预定电压，MOS管开启完成；

 

Switching Loss是在MOS管开启时VDS上有原始电压，Ids和Vds重叠所引起的；

Coss能量极短时间内被释放，电容上能量会损失掉

Loss=0.5*Coss*Vds^2*fs

 

非零电压开启Non Zero Voltage Switching，给PCB，MOS寄生电感，电容形成谐振腔引入很大dv/dt或di/dt激励，然而引起很大ringing，或者超过MOS管额定电压，那么MOS管直接烧坏；

 

避免MOS管烧坏解决方案

实现软开关开启Zero Voltage Switching Turn on

 

在开启MOS管前，Vds=0，Ids和Vds不重叠，

turn on switching loss=0   无igh di/dt及dv/dt，ringing问题；

 

PWM converter；

例如：两个MOS管half bridge或buck converter

 

 

half bridge 实现ZVS turn on

Q1开启，电流流进switching node （vsw），电感电流值 < 0，

Q2开启，电流流出switching node （vsw），电感电流值 > 0，

 

Q1开启过程：

电感电流iL<0，关闭Q2，

Q1未开启，deadTIme中iL会charge Q2的Coss，使Vsw升高 ≤ Vin，

Q1的body diode导通，钳位住Vsw到Vin

此时：Q1的Vds  Vin-Vsw=0  开启Q1实现ZVS；

 

Q2开启，电感电流>0，先关闭Q1管，Vsw被电感电流拉低至0，

iL > 0， Q2的Coss  discharged到0，开启Q2，实现ZVS；

 

 

resonant converter（谐振变换器）

 

开启MOS管前，Vds=0

resonant converter 的half bridge

Impedance=inducTIve，是感性的，switching node流出电流I滞后电压V，实现ZVS turn on；

 

 

若：电流I是滞后电压V，Q1开启前电流I <0 会charge Q2的Coss，

dischargeQ1的Coss，让V到Vin，Q1实现ZVS turn on；

Q2开启前，电流I> 0，discharge Q2的Coss，charge Q1的Coss，让V=0，Q2实现ZVS;

 

 

ZVS buck converters：在设计上，开关频率小点，电感值小点，让电感电流ripple足够大，能达到负值。

Resonantconverter：通过积分方法，算出i与t的积分，让it积分 > Coss上charge。

若：已知impedance，算出V与I的phase shift，后换算成时间td，在td上对电感电流进行积分，此积分 ≥ Coss*Vin;