本文就MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程進(jìn)行相關(guān)介紹與分析，幫助理解學(xué)習(xí)工作過(guò)程中的相關(guān)內(nèi)容。首先簡(jiǎn)單介紹常規(guī)的基于柵極電荷的特性，理解MOSFET的開(kāi)通和關(guān)斷的過(guò)程，然后從漏極導(dǎo)通特性、也就是放大特性曲線，來(lái)理解其開(kāi)通關(guān)斷的過(guò)程，以及MOSFET在開(kāi)關(guān)過(guò)程中所處的狀態(tài)。

1、MOSFET開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程

MOSFET的寄生參數(shù)示意圖如圖1所示，開(kāi)通過(guò)程如圖2所示。

圖1 功率MOSFET的開(kāi)關(guān)模型

t0時(shí)刻前，MOSFET工作于截止?fàn)顟B(tài)， t0時(shí)，MOSFET被驅(qū)動(dòng)開(kāi)通；

[t0-t1] 區(qū)間，MOSFET的GS電壓經(jīng)Vdrive對(duì)Ciss充電而上升，在t1時(shí)刻，到達(dá)維持電壓Vth，MOSFET 開(kāi)始導(dǎo)電。Vgs上升到VTH之前漏極電流Id≈0A，同時(shí)Vds的電壓保持VDD不變。

[t1-t2] 區(qū)間，MOSFET的DS電流Id增加，Vds仍然保持VDD，Vgs上升到米勒平臺(tái)電壓，Id電流也上升到負(fù)載電流最大值Id(max)，Vds電壓開(kāi)始從VDD下降。

[t2-t3] 區(qū)間，t2時(shí)刻，MOSFET工作在飽和區(qū)，Vgs保持不變， 此期間，Cgs不再消耗電荷，VDD開(kāi)始給Cgd提供放電電流。

[t3-t4] 區(qū)間，至t3時(shí)刻， MOSFET的Vds降至飽和導(dǎo)通時(shí)的電壓Vds= Id(max) × Rds(on)， 米勒電容Cgd變小并和GS電容Cgs一起由外部驅(qū)動(dòng)電壓充電， Cgs的電壓上升，至t4 時(shí)刻Vgs=VDD為止，此時(shí)GS電容電壓已達(dá)穩(wěn)態(tài)，MOSFET完成導(dǎo)通過(guò)程。

圖2 功率MOSFET的開(kāi)通過(guò)程波形示意圖

功率MOSFET的關(guān)斷過(guò)程與開(kāi)通過(guò)程相反，如圖3所示。

圖3 功率MOSFET的關(guān)斷過(guò)程波形示意圖

在米勒平臺(tái)區(qū)，驅(qū)動(dòng)電路仍然對(duì)柵極提供驅(qū)動(dòng)電流、仍然對(duì)柵極電容充電，為什么柵極的電壓不上升？下面將基于漏極導(dǎo)通特性分析MOSFET開(kāi)通過(guò)程，解釋米勒平臺(tái)區(qū)，柵極電壓不上升。

2、 **MOSFET漏極導(dǎo)通特性與開(kāi)關(guān)過(guò)程 **

MOSFET的漏極導(dǎo)通特性如圖4所示，MOSFET與三極管一樣，當(dāng)MOSFET應(yīng)用于放大電路時(shí)，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(shù)，而MOSFET管使用柵極電壓、漏極電流和跨導(dǎo)。根據(jù)功率MOSFET輸出特征，工作區(qū)也可以分為三個(gè)區(qū)：關(guān)斷區(qū)、線性區(qū)(恒流區(qū))和可變電阻區(qū)。

圖4 MOSFET典型的漏極導(dǎo)通特性

當(dāng)驅(qū)動(dòng)開(kāi)通脈沖加到MOSFET的G和S極時(shí)，Vgs的電壓逐漸升高時(shí)，MOSFET的開(kāi)通軌跡A-B-C-D見(jiàn)圖5的路線所示。

圖5：功率MOSFET的開(kāi)通軌跡

(1) 截止區(qū)

開(kāi)通前MOSFET起始工作點(diǎn)位于圖5的右下角A點(diǎn)以下，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(kāi)始逐漸增大。

(2) 恒流區(qū)（線性區(qū)）

動(dòng)態(tài)恒流區(qū)（線性區(qū)）就是圖中的A-B，也就是Vgs電壓從Vth增加到米勒平臺(tái)電壓Vgs(pl)的區(qū)間，從這個(gè)過(guò)程可以非常直觀的發(fā)現(xiàn)：MOSFET工作在恒流區(qū)，因?yàn)閂gs的電壓在變化，這個(gè)過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)恒流的過(guò)程，也就是Vgs電壓和Id電流自動(dòng)找平衡的動(dòng)態(tài)過(guò)程。Vgs電壓的變化伴隨著Id電流相應(yīng)的變化，其變化關(guān)系就是MOSFET的跨導(dǎo)gfs：

在這個(gè)過(guò)程中，Vgs電壓保持不變（A-B垂直橫軸），Vgd的電壓為Vgs-Vds，為負(fù)壓，就是D的電壓高于G。當(dāng)Id電流達(dá)到負(fù)載的最大允許電流ID(max)時(shí)，也就是圖3中的B點(diǎn)，MOSFET進(jìn)入下一個(gè)工作區(qū)：米勒平臺(tái)區(qū)。

(3) 米勒平臺(tái)區(qū)

從B點(diǎn)開(kāi)始，Vds開(kāi)始下降，Vgd負(fù)電壓絕對(duì)值也開(kāi)始下降，只要D極電壓開(kāi)始變化，就會(huì)產(chǎn)生非常大的dv/dt，通過(guò)電容Crss，產(chǎn)生的電流為：

這個(gè)電流足夠大，可以將驅(qū)動(dòng)電路能夠提供的電流都抽取過(guò)去，驅(qū)動(dòng)電路的電流幾乎全部流過(guò)Crss（Cgd），以掃除Crss電容（米勒電容）存儲(chǔ)的電荷，這樣Cgs電容幾乎沒(méi)有電流流過(guò)，柵極電壓也就基本維持不變，可以看到Vgs在一段時(shí)間B-C內(nèi)維持一個(gè)平臺(tái)電壓，這就是米勒平臺(tái)區(qū)。

在這個(gè)工作區(qū)，柵級(jí)對(duì)應(yīng)的米勒平臺(tái)電壓，由系統(tǒng)的最大電流Id(max)和MOSFET的Vth、跨導(dǎo)來(lái)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(duì)值也不斷的降低，在B-C的中間某一時(shí)刻，Vgd的電壓由負(fù)變?yōu)?，然后開(kāi)始正向增加。當(dāng)Vds電壓降低到最低值時(shí)，米勒電容的電荷基本上被全部掃除，即圖3中的C點(diǎn)，Vds的電壓不再變化，而且Crss電壓也正向增加到米勒平臺(tái)電壓。

從圖5可以看到，在米勒平臺(tái)區(qū)，Vgs電壓不是絕對(duì)的保持不變，而是應(yīng)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(rèn)定其電壓保持不變，MOSFET在一段穩(wěn)定的時(shí)間內(nèi)，處于相對(duì)穩(wěn)定的恒流區(qū)，工作于放大狀態(tài)。

(4) 可變電阻區(qū)

圖5中C-D區(qū)為可變電阻區(qū)，此時(shí)Cgs、Cgd電壓相等都為米勒平臺(tái)電壓，Vds電壓不再變化，那么Cgd就不再有dv/dt產(chǎn)生的抽取電流，因此驅(qū)動(dòng)電路又開(kāi)始對(duì)Ciss充電，Vgs電壓從米勒平臺(tái)電壓開(kāi)始增加，直到達(dá)到驅(qū)動(dòng)電壓的最大值。這個(gè)過(guò)程中，MOSFET導(dǎo)通壓降稍有降低，降低到最小值，基本上變化不大，導(dǎo)通壓降為漏極電流Id和導(dǎo)通電阻Rds(on)的乘積，這也是完全導(dǎo)通區(qū)。

結(jié)語(yǔ)

對(duì)于功率MOSFET的開(kāi)通關(guān)斷的理解，有助于合理的功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，以及開(kāi)關(guān)損耗的理解和計(jì)算，幫助設(shè)計(jì)更優(yōu)質(zhì)的電源產(chǎn)品。