MOS管快速关断的重要性：为何我们常关注关断而非开通速度

引言

MOS管(MOSFET)作为现代电子设备中的关键元件，在电源管理、电机控制、开关电源等应用中扮演着重要角色。在实际应用中，我们经常强调MOS管的快速关断特性，而对快速开通的要求似乎没有那么严格。这种不对称的要求背后有其深刻的物理原理和工程考量。本报告将深入探讨MOS管的开关特性，分析为什么快速关断比快速开通更为重要，并阐述米勒效应等关键因素在其中的影响。

 

MOS管的开关过程

开通过程

当栅极电压(Vgs)从低于阈值电压(Vth)逐渐升高并超过阈值时，MOS管开始进入导通状态。在开通过程中，MOS管的工作状态可分为以下几个阶段：

 

开通延迟时间(Td(on))：从栅极电压开始上升到漏极-源极电流开始明显增加的时间

上升时间(tr)：漏极-源极电流从10%上升到90%所需的时间

线性区域：MOS管处于部分导通状态，电压和电流同时存在，会产生功率损耗

饱和区域：MOS管完全导通，进入恒流区

在开通过程中，MOS管的栅极电压直接控制导电通道的形成，这一过程相对直接且受栅极驱动强度的影响较大。

 

关断过程

当栅极电压(Vgs)从高于阈值电压(Vth)逐渐降低并低于阈值时，MOS管开始进入关断状态。关断过程同样可分为几个阶段：

 

关断延迟时间(Td(off))：从栅极电压开始下降到漏极-源极电流开始明显减少的时间

下降时间(tf)：漏极-源极电流从90%下降到10%所需的时间

米勒平台阶段：漏极-源极电压迅速上升，同时栅极-源极电压受到漏极电压的影响

完全关断：MOS管完全截止，漏极-源极电压接近栅极电压

关断过程比开通过程更为复杂，特别是在米勒平台阶段，漏极-源极电压的上升会通过漏极-栅极电容(Cgd)影响栅极电压，形成所谓的"米勒效应"[1]。

 

米勒效应与关断时间

米勒效应的物理机制

米勒效应是导致MOS管关断时间长于开通时间的主要原因。当MOS管处于关断过程中，漏极-源极电压(Vds)迅速上升，这一电压变化通过漏极-栅极电容(Cgd)影响栅极电压(Vgs)，使得栅极电压被拉低，减缓了关断过程[1]。

 

具体而言，在关断过程中，当漏极-源极电压达到米勒平台(Miller platform)时，Vds迅速上升至接近Vgs的电压值，而栅极-源极电容(Cgs)开始继续放电，此时漏极-源极电容上的电压迅速上升[1]。这一过程延长了关断时间，导致MOS管从导通状态完全过渡到截止状态的时间增加。

 

米勒效应的影响

米勒效应对MOS管的开关性能有显著影响：

 

延长关断时间：米勒效应直接导致关断时间长于开通时间，降低了MOS管的开关速度

增加开关损耗：在关断过程中，MOS管的漏极-源极电压和漏极电流同时较高，导致功率损耗增加[17]

影响dv/dt抗扰性：米勒效应使得MOS管对电压变化率(dv/dt)更为敏感，可能引发误开通或振荡[7]

由于米勒效应主要出现在关断过程中，因此我们对MOS管的快速关断要求更为严格，以克服这一固有特性带来的负面影响。

 

开关损耗分析

开关损耗的定义与来源

开关损耗是指MOS管在开通和关断过程中，由于电压和电流同时存在而产生的功率损耗。这些损耗主要发生在以下时间段：

 

开通过程：从栅极电压开始上升到MOS管完全导通的时间段

关断过程：从栅极电压开始下降到MOS管完全关断的时间段

研究表明，开关损耗主要集中在t1~t3时间段内[17]，而米勒平台时间对关断损耗有显著影响。

 

开关损耗与关断时间的关系

关断时间与开关损耗之间存在密切关系。在关断过程中，由于米勒效应的影响，漏极-源极电压和漏极电流同时处于较高水平的时间延长，导致关断损耗增加。开关损耗与开关频率相关，当频率一定时，关断时间越长，损耗越大[15]。

 

在实际应用中，特别是高频开关电源中，关断时间的长短对整体系统效率有重要影响。因此，为了降低开关损耗，提高系统效率，我们通常要求MOS管具有较短的关断时间。

 

电源应用中的关断时间考量

开关电源中的MOS管工作模式

在开关电源应用中，MOS管需要定期导通和关断。例如，DC-DC电源中常用的基本降压转换器依赖两个MOS管来执行开关功能，这些开关交替工作，电流通过电感进行储能和释放[5]。

 

在这些应用中，高侧和低侧MOS管交替导通和关断，在一个器件的关断和另一个器件的导通之间留有很短的死区时间，以防止交叠，避免产生非常高的电流脉冲[28]。

 

关断时间对电源性能的影响

关断时间对电源性能有以下几方面影响：

 

效率：较短的关断时间可以减少开关损耗，提高电源效率

电磁兼容性(EMC)：快速关断可以减少电压和电流的突变，降低电磁干扰

可靠性：快速关断可以防止MOS管在关断过程中承受过高的应力，提高可靠性

工作频率：关断时间限制了电源的工作频率，较短的关断时间允许更高的开关频率

在开关电源中，关断时间的合理选取对MOSFET开关管在宽调节范围内实现零电压开通(ZVS)以降低电磁干扰并提升运行效率至关重要[3]。

 

输入电容与开关时间

输入电容的定义与影响

输入电容(Ciss)是MOS管的一个重要参数，表示栅极-源极电容和栅极-漏极电容的总和，即Ciss=Cgs+Cgd。这一参数对MOS管的开关时间有直接影响[12]。

 

较大的输入电容会导致同样驱动能力下，开通及关断时间变慢，开关损耗也就越大。这是因为较大的电容需要更多的电荷来充电或放电，从而延长了开关时间[12]。

 

开关时间与驱动能力的关系

MOS管的开关时间与驱动能力密切相关。在实际应用中，驱动电路需要有足够的驱动能力来快速充放电栅极电容，从而实现快速的开关转换。

 

对于输入电容较大的MOS管，需要更强的驱动能力才能实现较短的开关时间。在电源应用中，栅极电阻也会影响开关时间，适当的栅极电阻可以优化开关性能，提高dv/dt抗扰性[7]。

 

不同类型MOS管的关断特性

超结MOS管与传统MOS管的比较

超结MOS管(Super Junction MOSFET)与传统MOS管在关断特性上存在差异。超结MOS管通常具有更低的导通电阻和更快的开关速度，这使得它们在高频应用中更具优势。

 

SiC MOS管的关断特性

碳化硅(SiC)MOS管与传统的硅(Si)功率器件相比，开关速度更快、dv/dt更高，但也更容易造成栅极串扰[83]。在SiC MOSFET驱动中，负压关断模式在很多应用场景中会影响器件开关的可靠性。

 

对于SiC MOSFET，关断过程中的负压关断模式需要特别注意，以确保开关的可靠性。由于SiC MOSFET的开关速度较快，dv/dt较高，因此在关断过程中更容易产生栅极串扰，影响开关性能[83]。

 

实际应用中的考量

电机控制应用

在电机控制应用中，MOS管的快速关断对于防止电机过热和提供精确控制至关重要。快速关断可以减少开关过程中的功率损耗，降低发热，延长系统寿命。

 

电源变换器应用

在电源变换器应用中，MOSFET的快速关断可以提高变换器的效率和可靠性。如果MOSFET导通和关断，则器件仅在一小段时间内发热，因此可以承受更高的电流和电压。保持导通的时间越短，电压和电流就可以越高，此时仅受最大电流和电压的限制[49]。

 

消费电子设备

在消费电子设备中，MOS管的快速关断对于提高能源效率和延长电池寿命至关重要。快速关断可以减少待机功耗，提高设备的能效比。

 

如何实现MOS管的快速关断

栅极驱动设计

栅极驱动设计对实现MOS管的快速关断至关重要。适当的栅极驱动强度可以确保栅极电压能够快速下降，克服米勒效应的影响，实现快速关断。

 

门极电阻优化

门极电阻是影响MOS管开关时间的重要因素。适当的门极电阻可以优化开关性能，提高dv/dt抗扰性，同时防止电压过冲和振荡。

 

保护电路设计

在实际应用中，需要设计适当的保护电路来确保MOS管的可靠关断。例如，电压关断型缓冲电路可以抑制电压上升率，保护MOS管免受过压应力[66]。

 

结论

通过对MOS管开关特性的深入分析，我们可以看出快速关断比快速开通更为重要的原因：

 

米勒效应：在关断过程中，漏极-源极电压的上升通过漏极-栅极电容影响栅极电压，形成米勒效应，延长关断时间。这一效应在开通过程中不存在，因此关断时间通常长于开通时间。

开关损耗：关断过程中的开关损耗通常大于开通过程中的损耗，较短的关断时间可以显著降低开关损耗，提高系统效率。

电源应用需求：在开关电源等应用中，关断时间对系统效率、可靠性和工作频率有重要影响，因此需要MOS管具有快速关断能力。

输入电容影响：输入电容较大的MOS管需要更强的驱动能力才能实现快速开关，而关断过程中的米勒效应进一步增加了实现快速关断的难度。

综上所述，虽然MOS管的快速开通也很重要，但由于米勒效应的影响和电源应用的特殊需求，我们对MOS管的快速关断要求更为严格。