理解功率MOSFET的開關過程

小融一號

盡管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對于MOSFET開關過程仍然有一些疑惑，本文先簡單介紹常規的基于柵極電荷的特性，理解MOSFET的開通和關斷的過程，然后從漏極導通特性、也就是放大特性曲線，來理解其開通關斷的過程，以及MOSFET在開關過程中所處的狀態。

1、MOSFET柵極電荷特性與開關過程

基于柵極電荷的MOSFET的開通過程如圖1所示，此圖在其數據表中可以查到。D和S極加電壓為VDD，當開通脈沖加到的G和S極時，輸入電容Ciss充電，G和S極電壓VGS線性上升到達閾值電壓VTH，VGS上升到VTH之前漏極電流非常小，ID ≈0A，幾乎沒有漏極電流流過，同時VDS的電壓保持VDD不變。

VGS到達VTH時，漏極開始流過電流，VGS繼續上升，ID也逐漸上升，VDS仍然保持VDD。VGS到達米勒平臺電壓VGS(pl)時，ID電流也上升到負載電流最大值ID(max)，VDS電壓開始從VDD下降。米勒平臺期間，ID電流維持ID(max)，VDS電壓不斷降低。

米勒平臺結束時刻，ID電流仍然維持ID(max)，VDS電壓降低到一個較低的值。米勒平臺結束后，ID電流仍然維持ID(max)，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，最后穩定在VDS= ID(max) × RDS(on)。因此通常可以認為米勒平臺結束后MOSFET基本上已經導通。

圖1：AOT460柵極電荷特性

對于上述的過程，理解難點在于：

(1) 為什么在米勒平臺區，VGS的電壓恒定？

(2) 驅動電路仍然對柵極提供驅動電流、仍然對柵極電容充電，為什么柵極的電壓不上升？

柵極電荷特性對于形象的理解MOSFET的開通過程并不直觀，因此下面將基于漏極導通特性解MOSFET開通過程。

2、MOSFET漏極導通特性與開關過程

MOSFET的漏極導通特性如圖2所示，MOSFET與三極管一樣，當MOSFET應用于放大電路時，通常要使用此曲線研究其放大特性。只是三極管使用的基極電流、集電極電流和放大倍數，而MOSFET管使用柵極電壓、漏極電流和跨導。

圖2：AOT460的漏極導通特性

當MOSFET工作在線性區(恒流區)時MOSFET具有信號放大功能，柵極的電壓和漏極的電流基于其跨導保持一定的約束關系。柵極的電壓和漏極的電流的關系就是MOSFET的轉移特性。

其中，μn為反型層中電子的遷移率，COX為氧化物介電常數與氧化物厚度比值，W和L分別為溝道寬度和長度。

前面多次講到功率MOSFET輸出特征，三極管有三個工作區：截止區、放大區和飽和區，也就是功率MOSFET可以工作在三個區：關斷區、線性區(恒流區)和可變電阻區，線性區(恒流區)相當于三極管的放大區，有時候也稱為放大區；可變電阻區相當于三極管的飽和區，在這個區域MOSFET基本上完全導通。

當驅動開通脈沖加到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-D見圖3的路線所示。

圖3：AOT460的開通軌跡

（1）截止區

開通前MOSFET起始工作點位于圖3的右下角A點以下，AOT460的VDD電壓為48V，VGS的電壓逐漸升高，ID電流為0，VGS的電壓從0上升到VTH，ID電流從0開始逐漸增大。

（2）動態恒流區（線性區）

動態恒流區（線性區）就是圖中的A-B，也就是VGS電壓從VTH增加到米勒平臺電壓VGS(pl)的區間，從這個過程可以非常直觀的發現：MOSFET工作在恒流區，因為VGS的電壓在變化，這個過程是一個動態恒流的過程，也就是VGS電壓和ID電流自動找平衡的動態過程。VGS電壓的變化伴隨著ID電流相應的變化，其變化關系就是MOSFET的跨導gfs：

gfs = DID / DVGS

跨導gfs可以在MOSFET數據表中查到。

在這個過程中，VDS電壓保持不變（A-B垂直橫軸），VGD的電壓為VGS-VDS，為負壓，就是D的電壓高于G。當ID電流達到負載的最大允許電流ID(max)時，也就是圖3中的B點，MOSFET進入下一個工作區：米勒平臺區。

（3）米勒平臺區

從B點開始，VDS開始下降，VGD負電壓絕對值也開始下降，只要D極電壓開始變化，就會產生非常大的dv/dt，通過電容Crss，產生的電流為：

iCrss = Crss×dv/dt

這個電流足夠大，可以將驅動電路能夠提供的電流都抽取過去，驅動電路的電流幾乎全部流過Crss（CGD），以掃除Crss電容（米勒電容）存儲的電荷，這樣CGD電容幾乎沒有電流流過，柵極電壓也就基本維持不變，可以看到VGS在一段時間B-C內維持一個平臺電壓，，這就是米勒平臺區。

在這個工作區，柵級對應的米勒平臺電壓，由系統的最大電流ID(max)和MOSFET的VTH、跨導來決定，滿足上面的公式。

隨著VDS電壓不斷的降低，VGD的電壓絕對值也不斷的降低，在B-C的中間某一時刻，VGD的電壓由負變為0，然后開始正向增加。當VDS電壓降低到最低值時，米勒電容的電荷基本上被全部掃除，即圖3中的C點，VDS的電壓不再變化，而且Crss電壓也正向增加到米勒平臺電壓。

從圖3可以看到，在米勒平臺區，VGS電壓不是絕對的保持不變，而是應該有非常小、非常小的上升幅度，這樣的幅度可以忽略，因此基本上認定其電壓保持不變，MOSFET在一段穩定的時間內，處于相對穩定的恒流區，工作于放大狀態。即

（4）可變電阻區

圖3中C-D區為可變電阻區，此時CGS、CGD電壓相等都為米勒平臺電壓，VDS電壓不再變化，即：D極電壓基本上保持恒定不變，那么CGD就不再有dv/dt產生的抽取電流，因此驅動電路又開始同時對CGS+CGD充電，VGS電壓從米勒平臺電壓開始增加，直到達到驅動電壓的最大值。這個過程中，MOSFET導通壓降稍有降低，降低到最小值，基本上變化不大，導通壓降為ID的電流和導通電阻的乘積，這也是完全導通區。

基于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（放大區）和可變電阻區的過程。恒流區有動態恒流區、一段穩定時間的米勒平臺恒流區，此時MOSFET均工作于放大狀態，這也可以理解：MOSFET在開關過程中，跨越恒流區（放大區），是MOSFET產生開關損耗的直接原因。

文章來源：微信公眾號   融創芯城（一站式電子元器件、PCB、PCBA購買服務平臺，項目眾包平臺，方案共享平臺）