浅析MOSFET管开关电流波形问题!

品慧电子讯MOS管开关电路是利用MOS管栅极(g)控制MOS管源极(s)和漏极(d)通断的原理构造的电路。因MOS管分为N沟道与P沟道，所以开关电路也主要分为两种。

MOS管开关电路的定义

MOS管开关电路是利用MOS管栅极(g)控制MOS管源极(s)和漏极(d)通断的原理构造的电路。因MOS管分为N沟道与P沟道，所以开关电路也主要分为两种。

1、 P沟道MOS管开关电路

路编辑PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况(高端驱动)。需要注意的是，Vgs指的是栅极G与源极S的电压，即栅极低于电源一定电压就导通，而非相对于地的电压。但是因为PMOS导通内阻比较大，所以只适用低功率的情况。大功率仍然使用N沟道MOS管。

2、 N沟道mos管开关电路

NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况(低端驱动)，只要栅极电压大于参数手册中给定的Vgs就可以了，漏极D接电源，源极S接地。需要注意的是Vgs指的是栅极G与源极S的压差，所以当NMOS作为高端驱动时候，当漏极D与源极S导通时，漏极D与源极S电势相等，那么栅极G必须高于源极S与漏极D电压，漏极D与源极S才能继续导通。

图1

这里就用MOSFET代替BJT了，所以ids = ic，Vds=Vce，Coss也就是Cds代表输出电容。简单来说就是当MOS管一开始导通时输出电容Coss还保持Vds电压，随着Ids电流越来越大，Vds电压终于保持不住，开始下降。直到管子完全开启。比较详细的开启过程是由Miller Plateau造成的，这里借用了网上一些解释Miller Plateau的图，如果有不清楚的就请见谅了。

阶段1，Vgs 《 Vth，管子是关断的，所以Ids = 0，Vds=high，ig充电Cgs。

阶段2，Vgs 》 Vth，管子开启，Ids从0增加到iL被外部电流源电感钳住，Coss(Cds)上电压不能突变，保持Vds。

阶段3，进入Miller plateau，Vgs 》 Vth，管子仍然保持开启，Coss开始discharge，Vds电压开始下降，于此同时Cgd开始被ig充电。Vg保持不变。

阶段4，Vd下降到接近0点，ig继续给ig充电Cgs和Cgd充电。

阶段5，Vg到达gate driver预定的电压，管子开启过程完成。

关断过程和开启过程类似，也会有Miller plateau效应。

我们可以看到，如果如果MOS管开启时VDS上有原始电压，那么MOS开启过程中就会有Ids和Vds的重叠，那么会带来Switching Loss。由于Coss上的能量在极短时间内被释放，电容上能量会损失掉(换算为Loss为0.5*Coss*Vds^2*fs)，而且只要是非零电压开启(Non Zero Voltage Switching)，会给PCB和MOS的寄生电感与电容形成的谐振腔(resonant tank)引入比较大的dv/dt或者di/dt激励，引起比较大的ringing，甚至超过管子的额定电压，烧毁管子。

那么我们可以避免这种情况的发生吗?答案是可以的，也就是很多人提到的Zero Voltage Switching，虽然会付出一定的代价。我们先看如何能实现软开关开启Zero Voltage Switching Turn on。

图2

实现ZVS turn on很简单，只需要在我们开启管子前，Vds上的电压为零就好，这样Ids和Vds就没有重叠了，turn on switching loss为零，没有high di/dt， dv/dt问题，没有ringing，完美!那么如何实现ZVS turn on呢?个人觉得分两种情况讨论:1为PWM converter，2为resonant converter(谐振变换器)。

一， 对于PWM converter，就拿最简单的两个管子的half bridge(其实也就是buck converter)做例子。

图3

对于half bridge 实现ZVS turn on，我们希望当上管Q1开启时电流是流进switching node (vsw)的，也就是图中电感电流为负值，当下管Q2开启时我们希望电流是流出switching node (vsw)的，也就是电感电流为正值。为什么这样就可以实现ZVS turn on了呢?我们就看上管Q1开启过程。如果电感电流iL为负，这时候我们先关闭Q2，这时候Q1还未开启，在这个deadTIme中iL会charge Q2的Coss，使Vsw抬高到Vin，当然不能超过Vin，因为Q1的body diode会导通，钳位住Vsw到Vin，这时候Q1的Vds就是Vin-Vsw=0，这时候我们开启Q1就实现ZVS了。

同理对于Q2开启时，如果电感电流为正，那么当我们首先关闭Q1管时，Vsw就会被电感电流拉低到0，因为iL》0， Q2的Coss会discharged到0，然后我们再开启Q2，就可以达到ZVS了。这里我有一张其他Topology的PWM converter的波形图，也和buck工作原理类似，大概可以看看基本原理，也就是电感电流为负时，Q1可以实现ZVS，让Vsw的ringing比较小。而当电感电流为正时，实现不了ZVS，Vsw的ringing就比较大了。

图4

二， 对于resonant converter，其实道理类似，我们也希望在我们开启管子前，Vds上的电压为零。那么对于resonant converter的half bridge，我们希望看到的impedance为inducTIve，也就是感性的，这样switching node流出的电流I就会滞后于电压V，现在ZVS turn on。

图5

这是因为如果电流I是滞后与电压V的，这样在Q1开启之前电流I为负值就会charge Q2的Coss，同时discharge Q1的Coss，让V到Vin，这样Q1就实现ZVS turn on了。Q2开启之前，电流I为正，也会discharge Q2的Coss，和charge Q1的Coss，让V到0，这样Q2就实现ZVS了。

总结起来，要实现ZVS turn on，对于PWM，需要电感电流为负，而且需要足够的deadTIme;对于resonant converter，需要impedance为inducTIve，而且也需要deadtime。那么有人可能要问，对于PWM converter到底电感电流为多负?deadtime至少为多少可以保证ZVS?对于resonant converter， impedance 到底为多少?deadtime为多少可以保证ZVS?

要回答这个定量问题，其实是不那么简单的。对于PWM converter，参考quasi-square-waveZVS buck converters，我们是可以画出state plane，然后根据state plane图的几何关系定量分析出来的，但是非常繁琐，常常是七八个三角函数等式求解。所以我个人愚见，在设计上，就让开关频率小点，电感值小点，让电感电流ripple足够大，能达到负值就差不多了。

对于resonant converter，倒是可以简单地通过积分方法，算出i与t的积分，让这个it积分大于Coss上的charge就行。比如已知impedance，算出V与I的phase shift，然后换算成时间td，然后在td上对电感电流进行积分，只要这个积分大于等于Coss*Vin就行了。

图6

说了soft switching， ZVS这么多好处，我们谈谈soft switching的弊端。对于PWM converter我们可以看到为了实现ZVS，我们减小了电感值，让电感电流ripple变大，最终达到负值，实现了ZVS，但是付出的代价就是inductor current的RMS值变大，各个元器件的导通损耗(conduction loss)变大，所以我们是牺牲了conduction loss换取switching loss和小ringing。而且如果输出电流越大，我们需要实现ZVS的难度更大，需要进一步增大ripple，造成RMS电流进一步增大，很有可能得不偿失，造成converter整体效率下降。

对于resonant converter，在频率很高的情况下，有时候需要让impedance非常inductive，也就是I滞后于V非常厉害才能有足够的charge q来实现ZVS，这其实也是变相降低了有功功率的传输，因为V和I的phase lag比较大，造成了converter的circulating current比较大，RMS电流值增大，也是增大了conduction loss。所以在设计或者考虑ZVS等soft switching时需要对系统有个整体loss的把握，在conduction loss和switching loss之间做好trade-off，这样才能设计出效率最高，最鲁棒的converter。

另外soft switching软开关技术还有ZVS turn off，Zero Current Switching turn on，Zero Current Switching turn off。这里就简单介绍了ZVS turn on，因为ZVS turn on对于MOSFET和GaN比较重要，其他softswitching技术这里就不一一叙述了。

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