基于漏极导通区特性理解MOSFET开关过程

liyf

本文先介绍了基于功率MOSFET的栅极电荷特性的开关过程；然后介绍了一种更直观明析的理解功率MOSFET开关过程的方法：基于功率MOSFET的导通区特性的开关过程，并详细阐述了其开关过程。开关过程中，功率MOSFET动态的经过是关断区、恒流区和可变电阻区的过程。在跨越恒流区时，功率MOSFET漏极的电流和栅极电压以跨导为正比例系列，线性增加。米勒平台区对应着最大的负载电流。可变电阻区功率MOSFET漏极减小到额定的值。MOSFET的栅极电荷特性与开关过程尽管MOSFET在开关电源、电机控制等一些电子系统中得到广泛的应用，但是许多电子工程师并没有十分清楚的理解MOSFET开关过程，以及MOSFET在开关过程中所处的状态。一般来说，电子工程师通常基于栅极电荷理解MOSFET的开通的过程，如图1所示。此图在MOSFET数据表中可以查到。

图1 AOT460栅极电荷特性MOSFET的D和S极加电压为VDD，当驱动开通脉冲加到MOSFET的G和S极时，输入电容Ciss充电，G和S极电压Vgs线性上升并到达门槛电压VGS(th)，Vgs上升到VGS(th)之前漏极电流Id≈0A，没有漏极电流流过，Vds的电压保持VDD不变。当Vgs到达VGS(th)时，漏极开始流过电流Id，然后Vgs继续上升，Id也逐渐上升，Vds仍然保持VDD。当Vgs到达米勒平台电压VGS(pl)时，Id也上升到负载电流最大值ID，Vds的电压开始从VDD下降。米勒平台期间，Id电流维持ID，Vds电压不断降低。米勒平台结束时刻，Id电流仍然维持ID，Vds电压降低到一个较低的值。米勒平台结束后，Id电流仍然维持ID，Vds电压继续降低，但此时降低的斜率很小，因此降低的幅度也很小，最后稳定在Vds=Id×Rds(on)。因此通常可以认为米勒平台结束后MOSFET基本上已经导通。对于上述的过程，理解难点在于为什么在米勒平台区，Vgs的电压恒定？驱动电路仍然对栅极提供驱动电流，仍然对栅极电容充电，为什么栅极的电压不上升？而且栅极电荷特性对于形象的理解MOSFET的开通过程并不直观。因此，下面将基于漏极导通特性理解MOSFET开通过程。MOSFET的漏极导通特性与开关过程MOSFET的漏极导通特性如图2所示。MOSFET与三极管一样，当MOSFET应用于放大电路时，通常要使用此曲线研究其放大特性。只是三极管使用的基极电流、集电极电流和放大倍数，而MOSFET使用栅极电压、漏极电流和跨导。

图2 AOT460的漏极导通特性三极管有三个工作区：截止区、放大区和饱和区，MOSFET对应是关断区、恒流区和可变电阻区。注意：MOSFET恒流区有时也称饱和区或放大区。当驱动开通脉冲加到MOSFET的G和S极时，Vgs的电压逐渐升高时，MOSFET的开通轨迹A-B-C-D如图3中的路线所示。

图3 AOT460的开通轨迹开通前，MOSFET起始工作点位于图3的右下角A点，AOT460的VDD电压为48V，Vgs的电压逐渐升高，Id电流为0，Vgs的电压达到VGS(th)，Id电流从0开始逐渐增大。A-B就是Vgs的电压从VGS(th)增加到VGS(pl)的过程。从A到B点的过程中，可以非常直观的发现，此过程工作于MOSFET的恒流区，也就是Vgs电压和Id电流自动找平衡的过程，即Vgs电压的变化伴随着Id电流相应的变化，其变化关系就是MOSFET的跨导：

，跨导可以在MOSFET数据表中查到。当Id电流达到负载的最大允许电流ID时，此时对应的栅级电压

。由于此时Id电流恒定，因此栅极Vgs电压也恒定不变，见图3中的B-C，此时MOSFET处于相对稳定的恒流区，工作于放大器的状态。开通前，Vgd的电压为Vgs-Vds，为负压，进入米勒平台，Vgd的负电压绝对值不断下降，过0后转为正电压。驱动电路的电流绝大部分流过CGD，以扫除米勒电容的电荷，因此栅极的电压基本维持不变。Vds电压降低到很低的值后，米勒电容的电荷基本上被扫除，即图3中的C点，于是，栅极的电压在驱动电流的充电下又开始升高，如图3中的C-D，使MOSFET进一步完全导通。C-D为可变电阻区，相应的Vgs电压对应着一定的Vds电压。Vgs电压达到最大值，Vds电压达到最小值，由于Id电流为ID恒定，因此Vds的电压即为ID和MOSFET的导通电阻的乘积。结论基于MOSFET的漏极导通特性曲线可以直观的理解MOSFET开通时，跨越关断区、恒流区和可变电阻区的过程。米勒平台即为恒流区，MOSFET工作于放大状态，Id电流为Vgs电压和跨导乘积。