摘要: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,并详细的阐述了其开关过程。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。



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 管使用栅极电压,漏极电流和跨导。



三极管有三个工作区:截止区,放大区和饱和区,而 MOSFET 对应是是关断区,恒流区和可变电阻区。注意到: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 见图 3的路线所示。



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,可以在非常直观的发现,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,见图 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。


2017年01月10日

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基于漏极导通区特性来理解MOSFET的开关过程

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