MOSFET“线性区域”在开关损耗方面的含义

电器工程 场效应管
2022-01-31 01:34:26

在 MOSFET 开关电路(PWM、电机控制等)的背景下,我读过“线性区域”的操作是您不希望长时间停留的地方,因为这里是 MOSFET 中大功率的地方。例如,这个答案

您正在将 MOSFET 驱动到其线性(功耗)区域

来自 International Rectifier 的此应用说明

如果器件作为开关操作,驱动电路的大瞬态电流能力会减少在线性区域中花费的时间,从而降低开关损耗。

然而,维基百科提供了这些定义

  • 线性区域:\$V_{GS} > V_{th}\$ 和 \$V_{DS} < ( V_{GS} – V_{th} )\$
  • 主动模式:\$V_{GS} > V_{th}\$ 和 \$V_{DS} ≥ ( V_{GS} – V_{th} )\$

也就是说,\$V_{DS}\$ 以及 MOSFET 中的功率,在线性区域中比在有源模式下要小。因此,我认为现在是人们想要避免的活跃模式的时候了。当一个从关闭切换到打开时,一个从截止开始,尽快通过活动模式以最小化损耗,然后在线性区域结束。

但是,我无法将这与上面的示例相协调,这些示例讨论了最小化线性区域中的时间。哪里不一致?

4个回答

您引用的答案中的“线性区域”使用有些松散。通常我们在电子产品中说“线性区域”或“线性操作”,当我们指的是中间操作时,电压保持在电源轨之间的某个位置(相对于钳位到其中一个附近)或像晶体管这样的设备是保持在未完全打开或完全关闭的中间区域。通常,设备在这个“线性区域”中并不是那么线性,但它是一个很久以前就存在的名称,线性区域与切换操作或裁剪区域相反。

正是在这个中间“线性”区域,设备将消耗大量功率。如果该器件是一个理想的开关,那么它在打开时因为电流为零而不能耗散功率,或者在闭合时因为电压为零而不能耗散功率。

在谈论 MOSFET 的器件物理特性或细节特性时,这与“线性区域”不同。那里的“线性”可以表示“施加电压的大致线性电流”,这也意味着 MOSFET 的作用就像一个电阻器,而更像是一个电流源。从整体电路的角度来看,这与“线性区域”不同。

是的,它依赖于上下文并且可能令人困惑。如果您需要精确,请使用实数。

不幸的是,当谈到 MOSFET 时,“线性区域”是使用最不一致的术语。根据作者的不同,它的意思可能正好相反。比较:

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图片来自这个 appnote

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来自这本教科书,其中将左侧区域称为“线性区域”。

另请注意,JEDEC 已分别选择“欧姆区域”和“饱和区域”作为 MOSFET 标准术语的选择(如上图第一张所示)。这在“4-31”页的JESD77b中给出。他们避免称任何区域为“线性”。

在这种情况下,线性区域是指您不想在其中操作的区域,因为乘积 Id·Vds 很大,因此您有很多损失。您希望通过使晶体管完全打开或关闭来最小化晶体管的损耗。

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两种状态之间的切换应该尽可能快,因为在那里会产生损失。

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蓝色曲线下的面积是器件中耗散的能量。切换较慢会使区域更大。

如果您看一下典型的硬开关开启 在此处输入图像描述

或关闭

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您可以看到一段时间内设备上同时存在高电压和高电流。更快地切换可以最大限度地减少在该区域花费的时间。

有一些方法可以通过使用零电压或零电流开关来最小化开关损耗。您必须设计转换器,使其仅在晶体管上的电压或电流接近零时才会切换。这样Id·Vds的功率积也接近于零。

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显示能量的图表似乎以时间为轴。假设电阻负载(例如图 10 伏电源和 1 欧姆负载),绘制功率与电压降的关系图可能会有所帮助。当设备完全关闭时,零电流因此零功率。完全打开时,电压降非常低(例如 0.2 伏),因此功率也很低(9.8 安培,即 1.96 瓦)。当“半”亮时,显着的电压降(5 伏)和显着的电流(5 安培),因此功率很大(25 瓦)。