基於漏極導通區特性理解MOSFET開關過程

 

基於漏極導通區特性理解MOSFET開關過程

[日期：2008-12-5]

來源：今日電子/21IC  作者：萬代半導體元件上海有限公司 劉松

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本文先介紹了基於功率MOSFET的柵極電荷特性的開關過程；然後介紹了一種更直觀明析的理解功率MOSFET開關過程的方法：基於功率MOSFET的導通區特性的開關過程，並詳細闡述了其開關過程。開關過程中，功率MOSFET動態經過是關斷區、恒流區和可變電阻區的過程。在跨越恒流區時，功率 MOSFET漏極的電流和柵極電壓以跨導為正比例系列，線性增加。米勒平台區對應著最大的負載電流。可變電阻區功率MOSFET漏極減小到額定的值。

MOSFET的柵極電荷特性與開關過程
儘管MOSFET在開關電源、電機控制等一些電子系統中得到廣泛的應用，但是許多電子工程師並沒有十分清楚的理解MOSFET開關過程，以及MOSFET在開關過程中所處的狀態。一般來說，電子工程師通常基於柵極電荷理解MOSFET的開通的過程， 1所示。此圖在MOSFET資料表中可以查到。

圖1 AOT460柵極電荷特性

MOSFET的D和S極加電壓為VDD，當驅動開通脈衝加到MOSFET的G和S極時，輸入電容Ciss充電，G和S極電壓Vgs線性上升併到達門檻電壓VGS(th)，Vgs上升到VGS(th)之前漏極電流Id≈0A，沒有漏極電流流過，Vds的電壓保持VDD不變。

當Vgs到達VGS(th)時，漏極開始流過電流Id，然後Vgs繼續上升，Id也逐漸上升，Vds仍然保持VDD。當Vgs到達米勒平台電壓VGS(pl)時，Id也上升到負載電流最大值ID，Vds的電壓開始從VDD下降。
米勒平台期間，Id電流維持ID，Vds電壓不斷降低。

米勒平台結束時刻，Id電流仍然維持ID，Vds電壓降低到一個較低的值。米勒平台結束後，Id電流仍然維持ID，Vds電壓繼續降低，但此時降低的斜率很小，因此降低的幅度也很小，最後穩定在Vds=Id×Rds(on)。因此通常可以認為米勒平台結束後MOSFET基本上已經導通。

對於上述的過程，理解痛點在於為什麼在米勒平台區，Vgs的電壓恒定？驅動電路仍然對柵極提供驅動電流，仍然對柵極電容充電，為什麼柵極的電壓不上升？而且柵極電荷特性對於形象的理解MOSFET的開通過程並不直觀。因此，下面將基於漏極導通特性理解MOSFET開通過程。

MOSFET的漏極導通特性與開關過程
MOSFET的漏極導通特性2所示。MOSFET與三極體一樣，當MOSFET應用於放大電路時，通常要使用此曲線研究其放大特性。只是三極體使用的基極電流、集電極電流和放大倍數，而MOSFET使用柵極電壓、漏極電流和跨導。

圖2 AOT460的漏極導通特性

三極體有三個工作區：截止區、放大區和飽和區，MOSFET對應是關斷區、恒流區和可變電阻區。注意：MOSFET恒流區有時也稱飽和區或放大區。當驅動開通脈衝加到MOSFET的G和S極時，Vgs的電壓逐漸升高時，MOSFET的開通軌跡A-B-C-D3中的路線所示。

圖3 AOT460的開通軌跡

開通前，MOSFET起始工作點位於圖3的右下角A點，AOT460的VDD電壓為48V，Vgs的電壓逐漸升高，Id電流為0，Vgs的電壓達到VGS(th)，Id電流從0開始逐漸增大。

A-B就是Vgs的電壓從VGS(th)增加到VGS(pl)的過程。從A到B點的過程中，可以非常直觀的發現，此過程工作於MOSFET 的恒流區，也就是Vgs電壓和Id電流自動找平衡的過程，即Vgs電壓的變化伴隨著Id電流相應的變化，其變化關係就是MOSFET的跨導：，跨導可以在MOSFET資料表中查到。

當Id電流達到負載的最大允許電流ID時，此時對應的柵級電壓。由於此時Id電流恒定，因此柵極Vgs電壓也恒定不變，見圖3中的B-C，此時MOSFET處於相對穩定的恒流區，工作於放大器的狀態。

開通前，Vgd的電壓為Vgs-Vds，為負壓，進入米勒平台，Vgd的負電壓絕對值不斷下降，過0後轉為正電壓。驅動電路的電流絕大部分流過CGD，以掃除米勒電容的電荷，因此柵極的電壓基本維持不變。Vds電壓降低到很低的值後，米勒電容的電荷基本上被掃除，即圖3中的C點，於是，柵極的電壓在驅動電流的充電下又開始升高，3中的C-D，使MOSFET進一步完全導通。

C-D為可變電阻區，相應的Vgs電壓對應著一定的Vds電壓。Vgs電壓達到最大值，Vds電壓達到最小值，由於Id電流為ID恒定，因此Vds的電壓即為ID和MOSFET的導通電阻的乘積。

結論
基於MOSFET的漏極導通特性曲線可以直觀的理解MOSFET開通時，跨越關斷區、恒流區和可變電阻區的過程。米勒平台即為恒流區，MOSFET工作於放大狀態，Id電流為Vgs電壓和跨導乘積。