理想状态下,MOS管的开关波形应与控制信号电压波形一致。然而实际应用里,MOS 管开关波形常常出现异常,这是怎么回事呢?
如下图所示,当输入信号为1MHz,幅度5V的方波信号,通过200Ω电阻R1连接到NMOS的栅极时。波形显示Ud电压最小值还在5V左右就又开始上升,即MOS管的开关并未完全导通。
这是为什么呢?
这一现象可由米勒平台解释,MOS管GS和GD之间分别有一个等效电容,电容两端电压不能突变,因此当栅极加上一个开关信号时,本质上就是对这些电容进行充放电,来使Vgs电压达到导通和关闭的门限。
因此,若栅极串联较大电阻,充放电电流小,电容充电速度慢,就会出现 MOS 管还未完全导通,下一个关闭信号就已到达的情况。
为解决未完全导通问题,将串联电阻 R1 缩小为 20Ω,此时 Vd 电压信号基本呈方波,MOS 管能完全导通。但新问题出现了,Ud 关断时有较长 “爬坡”。这表明,即便增大栅极驱动电流,MOS 管本身开关频率仍有上限。
在上述基础上,我们再将栅极驱动信号的频率降低到100kHz,这时我们观察到Ud和Ugs基本都是一个比较标准的方波信号(通过Ugs信号能观察到“米勒平台”),一般我们认为这样的驱动才是合格的。
当不完全导通和边沿爬坡较缓的现象,会产生哪些问题?
从功耗的计算公式P=U*I来看,当MOS管完全导通时,我们可以近似认为MOS管的损耗为0,即MOS的损耗仅存在于开关过程。
当 MOS 管不完全导通或者边沿较缓时,MOS 管本身的损耗就会显著加大,进而加重 MOS 管的发热情况。严重时,甚至会导致 MOS 管烧毁。