在MOS管驱动电路中,实现快速关断(快关)的关键在于优化栅极电容的充放电过程。MOS管的开通和关断本质上是栅极电容充电和放电的过程:栅极串联电阻越大,充放电速度越慢,导致开通和关断变慢。当驱动电路中仅有一个电阻Rs_on时,开通和关断的串联电阻相同,均为Rs_on。但通过添加二极管D和电阻Rs_off(有时Rs_off=0Ω,即短路),可以实现关断加速。以下是详细分析。
1. 二极管和Rs_off如何加速关断
当MOS管开通时,驱动器输出驱动电压Vg_drive(通常大于10V),此时Vg_drive大于栅极电压,二极管D不导通。因此,充电过程仅通过Rs_on进行,添加Rs_off和二极管对开通速度无影响。
当MOS管关断时,Vg_drive接地(GND),栅极电压高于Vg_drive,二极管D导通。放电过程通过Rs_off并联Rs_on进行(忽略二极管导通压降)。两个电阻并联后的等效电阻Rs_off//Rs_on小于任何一个单独电阻,因此放电时的等效串联电阻小于开通时的Rs_on。电阻越小,充放电速度越快,从而加速关断。
2. 为什么关断时间比开通时间更长
如果开通和关断的电阻相同,关断时间仍会较长。原因在于MOS管开通和关断的损耗发生在不同阶段(如下图所示),且充电和放电曲线不对称。
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t2和t7互为逆过程,t3和t6也互为逆过程。直觉上时间应相同,但实际不同,原因如下:
2.1 t2 < t7 的原因
Vgs(th)和Vgp一般较低(约1~3V),而Vg_drive较高(常大于10V)。在RC充放电曲线中,充电时电压从0V开始上升,Vgs(th)和Vgp位于曲线前期(上升快);放电时电压从Vg_drive开始下降,Vgs(th)和Vgp位于曲线后期(下降慢)。如下图所示:
例如,TI的NMOS参数:Vgs(th)=1.3V,Vgp=2.5V(如下图所示)。
因此
因此,t2阶段充电快、耗时短;t7阶段放电慢、耗时长,导致t2 < t7。
2.2 t3 < t6 的原因
米勒平台阶段(t3和t6)的电荷量相同,均为米勒电荷Qgd。但充电电流Ig(充) = (Vg_drive - Vgp)/R,放电电流Ig(放) = Vgp/R。由于Vg_drive >> Vgp(如10V vs 2.5V),Ig(充) > Ig(放)。电荷量相同时,电流越大,时间越短,因此t3 < t6。
综上
综上,总开通时间(t2 + t3) < 总关断时间(t7 + t6)。实际示例如下图所示:t2=18ns < t7=88.6ns,t3=29.8ns < t6=104.5ns。
3. 小结
关断时间更长的根本原因是Vgs(th)和Vgp较低(1~3V),相对于高驱动电压Vg_drive,放电过程处于RC曲线后期,速度较慢。因此,添加二极管和Rs_off来减小关断电阻,是优化驱动电路的关键。这解释了为什么专门加速关断:在相同电阻下,关断耗时更长,增加快关电路可减少损耗并提升效率。