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硬件设计-MOS管快速关断的原因和原理

news 来源：原创 2025/9/12 9:55:42

简介：

来源：

MOS管快关的原理

先简单介绍下快关的原理：

同电阻时为什么关断时间会更长

小结

简介：

本章主要介绍MOS快速关断的原理和原因。

来源：

有人会问，会什么要求快速关断，而不要求快速开启呢

MOS管快关的原理

先简单介绍下快关的原理：

我们知道，MOS管开通和关断的过程，就是MOS管栅极电容充电和放电的过程，所以呢，栅极串联的电阻越大，那么充放电速度越慢，开通和关断越慢。当没有二极管D和电阻Rs_off时，开通时充电和关断时放电的串联电阻都是Rs_on，二者是一样的。

那为什么加上二极管D和电阻Rs_off（有时Rs_off=0Ω，即没有这个电阻）就可以实现快关呢？

当要开通MOS时，驱动器输出驱动电压Vg_drive，此后一直到MOS管完全开通，Vg_drive都大于MOS的栅极电压，因此二极管不导通，所以，相当于Vg_drvie通过电阻Rs_on给栅极进行充电。我们也可以看出，加不加这个Rs_off和二极管D，对于MOS管的开通速度是没有影响的。

当要关断MOS时，Vg_drive接GND，栅极电压大于Vg_drive，因此二极管导通，相当于栅极通过Rs_off并联Rs_on进行放电（严格来说，这里面还有一个二极管的导通压降，并不是很严谨）。我们知道，2个电阻并联之后，电阻要小于并联之前的2个电阻的任何一个。因此，放电时的等效串联电阻为Rs_off//Rs_on，要小于开通时的串联电阻Rs_on，而电阻越小，充放电速度越快，因此我们说，加上这个Rs_off和二极管D可以加速关断。

回到我们最开始的问题，为什么我们要专门增加二极管让关断更快一点呢？

这是因为如果电阻一样的话，关断本身耗时就会长一点，那为什么关断时间会更长？明明充放电的电阻阻值一样？

同电阻时为什么关断时间会更长

MOS管开通的损耗发生的区域主要在t2和t3时间段，关断损耗主要发生在t6和t7阶段，如下图所示：

t2与t7阶段的差异

我们知道开通的t2阶段和关断的t7阶段互为逆过程：

t2阶段：栅极从门限电压Vgs(th)充电到米勒平台电压Vgp的时间

t7阶段：栅极从米勒平台电压Vgp放电到门限电压Vgs(th)的时间

既然互为逆过程，那这个两个时间不应该一样？直觉好像是这样的，但实际是不同的，因为充电和放电的曲线是不一样的。

MOS管开通和关断的电路模型对比如下图。

我们画出RC电路的充放电曲线如下图：

可以看到，充电时，电压开始上升很快，后面越来越慢，而放电时，也是开始很快，后面很慢。

而一般MOS的Vgs_th也就2V左右，Vgp也就比Vgs_th高1~2V左右，比如以TI的NMOS为例：Vgs(th)=1.3V，Vgp=2.5V

很多功率驱动电路，驱动器输出电压常大于10V，比Vgs_th和Vgp大比较多。

开通过程中对栅极进行充电，Vgs_th和Vgp相对于充电初始电压0V比较近，因此处于充电曲线的前期阶段，充电会比较快，耗时会比较短。

而关断过程中对栅极放电，Vgs_th和Vgp相对于放电初始电压Vg_drvie比较远，因此处于充电曲线的较后期阶段，放电比较慢，耗时会比较长。

综上，t2<t7，这一特点我们从曲线上也可以很直观的看出来。

说完了为什么t2<t7，我们再来看下t3和t6的情况

t3为什么也比t6时间要短？

类似于t2和t7，开通的t3阶段和关断的t6阶段互为逆过程：

t3阶段：开通过程中米勒平台电压Vgp持续的时间

t6阶段：关断过程中米勒平台电压Vgp持续的时间

首先，我们要知道，米勒平台充电或者放电对应的电荷量都是一样多的，都是米勒平台电荷量Qgd

其次，不论是开通，还是关断过程中，其米勒平台电压持续时间内，栅极电压都维持米勒平台电压Vgp不变。

充电时，充电电流为Ig(充)=（Vg_drive-Vgp）/R

放电时，栅极电流为Ig(放)= Vgp/R

前面说到，Vg_drive很多时候大于10V，Vgp才2~3V，因此易得，Ig(充)>Ig(放)，而充电和放电的电荷量都为Qgd，因此充电时间<放电时间，即t3<t6

现在我们知道了，t2<t7，t3<t6

因此总的开通时间t2+t3 < 总的关断时间t7+t6。

其实，我们从第一期举的例子也可以看出来，在不加二极管的情况下，关断时间是要比开通时间要长不少的，具体如下图所示：

由上图可知：

t2=18ns，比t7= 88.6ns要小很多

t3=29.8ns，比t6=104.5ns也要小很多

小结

尽管从上一期的内容，我们可以直接得到开通时间和关断时间，但是我还是又定性的又分析了一遍，因为公式总是冰冷的，本期文章能够更通俗易懂的说明为什么关断时间更长：

门限电压Vgs_th和米勒平台电压Vgp一般只有1~3V，比栅极驱动电压小比较多，这造成充电快，放电慢，因此开通快，关断慢。

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MOS管快关的原理

先简单介绍下快关的原理：

同电阻时为什么关断时间会更长

小结

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