MOSFET栅电荷的起源及应用-AND9083-D-MOSFET-Gate-Charge-Origin-and-its-Applications全文翻译

MOSFET栅电荷的起源及应用介绍工程师们经常估算开关时间，基于总的驱动电阻和栅电荷或电容。由于电容是非线性的，对于估算开关行为，栅电荷是一个相对容易的参数。然而，从数据参数表中得到的MOSFET开关时间的估算，通常和示波器显示的并不匹配。这是因为从数据表中得到的参数与从应用条件中得到的参数之间存在着差异。例如，在图片1中，NTD5805N的栅电荷在两种不同条件下被描述，结果有很大的不同。如果在各种条件下表示的数据表值与使用情况不同，这些差异就会在估算中引进误差。这篇文章将解释如何从数据表和应用中更好的评估栅电荷。为简单起见，文章中功率MOSFETNTD5805N的数据表[1]将用于32V电压、30A电流的情况。应用说明电感开关在开关模式的电源供给下，MOSFET的开关电感加载。图片2展示了一个基本高压端MOSFET开始转变的Buck电路。在高压端MOSFET打开之前，电感电流流过低压电MOSFET边的二极管（VBD）。开启的转换被分为三个区域（如图3所示）。这些区域将会被分别解释。图片4展示了，依据输出特性三个区域间的过渡。栅电荷可以由非线性的电容曲线得到，该曲线充分表征了在一系列VDS（VGS=0）和VGS（VDS=0）下的电容值，如图5所示。区域A：MOSFETQGS这一区域是栅源电压（VGS）从0V上升到台阶电压（VGP）的过程。当栅电压从0V上升到其阈值电压（VTH），这个过程MOSFET还是截止的，没有漏端电流（ID）流过，漏源电压（VDS）保持不变。一旦栅电压达到VTH，MOSFET开始导通，ID上升。VDS依然保持VDD+VBD，直到MOSFET开始提供电感电流。在这一区域，栅电流用于给输入电感（Ciss）充电，同时VDS不变。由于栅源电压从VDD变到VDD-VGP，从这一范围内输入电容曲线可以看出，电荷被储存了。这可以由等式1近似表示。区域B：MOSFETQGD这是一个VGS保持在VGP，并持平的区域。ID保持在电感电流，VDS不再继续保持不变，MOSFET的VDS开始下降。这一现象可以从ID-VDS曲线（Figure4）看出：在固定的ID下，随着VDS变化，VGS保持相对平稳。这就是栅电荷曲线中所示的平坦的起点。字这一区域内，栅电流用于给相反的路跨电容（Crss）充电。VDS从VDD+VBD下降到ID*RDS(ON)。因此，电容Crss上的电压就从｛（VDD+VBD）-VGP｝变为｛ID*RDS(ON)-VGP｝。电压极性为负的。在这一转变过程中需要电荷（等式2），如图5电筒曲线中区域B的面积所示。区域C：MOSFET保持总的栅电荷这一区域中，MOSFET进入电阻模式操作，如图4ID-VDS曲线所示。VGS从VGP上升到驱动电源电压（VGDR）。ID和VDS都保持相对平稳。随着VGS增大，沟道（VDS=I*RDS(ON)）继续被加强，VDS稍有下降。图片5中区域C所需的电荷可以用公式3表示。在不同条件下得到栅电荷我们通过了解在不同区域栅电荷是如何形成的来解释。电流条件决定了栅电荷在区域A,B,C之间的界限（图6）。这个范围是由VDD和VGDP设置的。VGP可以从电感电流ID和供给电压VDD的ID-VDS曲线上找到。找到了这三个电压，栅电荷等于这些电容区域的面积。如表格1中所示的例子，方法论描述的电流条件，与图片1中的特征数据一样，只是用简单估计。总的栅电荷（QGTOT）就是在驱动电压下被MOSFET的栅存储的总电荷数量。开关栅电荷（QSW）就是完成ID和VDS转换所需的电荷。LED和加热线圈是阻性开关的例子。感性开关和阻性开关的主要的区别是没有涉及钳制的漏端电流。在达到阈值电压之前，场效应晶体管是截止的。当MOSFET开始在饱和区域导通时，VDS取决于电阻负载和供给电压。一旦场效应晶体管处于电阻模式，MOSFET和负载变为一个简单的电阻分压器。由于VDS和ID都在变化，不存在平坦区域，并且导致VGS增加（图9区域E）。幸运的是，QSW和QGTOT在电感开关中没有变化。栅电荷应用MOSFET应用的一个重要方面是功率损耗。存在几种功率损耗。传导损耗是在沟道电阻元件（RDSON）上的功率损耗。开关损耗（PSW）是在开关电流和电压上的功率损耗。开关栅电荷（QSW）是栅驱动所需提供的电流量，用来完成漏端电压和电流的开关转换。栅电荷损失（PQG）是栅充电、放电的功率损耗。以上推导并不适用于零电压开关应用。例如在同步整流中，MOSFET在开启之前，有一个通过VDS（体二极管导通）的负的二极管压降。同理，这些依然可以由电容（VGS一边的）和ID-VDS曲线得到。总结在不同的电流条件下，得到了数据表中栅电荷参数是如何变化的。要得到正确的栅电荷需要简单的数学运算。栅电荷的起源被分析解释了。通过理解MOSFET的栅电荷，对于不同电流条件的设计，可以做出更多的精确估计（图10）。在选择栅