理解功率MOSFET的开关过程

Jessie唐

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对于MOSFET开关过程仍然有一些疑惑，本文先简单介绍常规的基于栅极电荷的特性，理解MOSFET的开通和关断的过程，然后从漏极导通特性、也就是放大特性曲线，来理解其开通关断的过程，以及MOSFET在开关过程中所处的状态。

1、MOSFET栅极电荷特性与开关过程

基于栅极电荷的MOSFET的开通过程如图1所示，此图在其数据表中可以查到。D和S极加电压为VDD，当开通脉冲加到的G和S极时，输入电容Ciss充电，G和S极电压VGS线性上升到达阈值电压VTH，VGS上升到VTH之前漏极电流非常小，ID ≈0A，几乎没有漏极电流流过，同时VDS的电压保持VDD不变。

VGS到达VTH时，漏极开始流过电流，VGS继续上升，ID也逐渐上升，VDS仍然保持VDD。VGS到达米勒平台电压VGS(pl)时，ID电流也上升到负载电流最大值ID(max)，VDS电压开始从VDD下降。米勒平台期间，ID电流维持ID(max)，VDS电压不断降低。

米勒平台结束时刻，ID电流仍然维持ID(max)，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(max)，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(max) × 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。

图1：AOT460栅极电荷特性

对于上述的过程，理解难点在于：

(1) 为什么在米勒平台区，VGS的电压恒定？

(2) 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？

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。

2、MOSFET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。

图2：AOT460的漏极导通特性

当MOSFET工作在线性区(恒流区)时MOSFET具有信号放大功能，栅极的电压和漏极的电流基于其跨导保持一定的约束关系。栅极的电压和漏极的电流的关系就是MOSFET的转移特性。

‍其中，μn为反型层中电子的迁移率，COX为氧化物介电常数与氧化物厚度比值，W和L分别为沟道宽度和长度。

前面多次讲到功率MOSFET输出特征，三极管有三个工作区：截止区、放大区和饱和区，也就是功率MOSFET可以工作在三个区：关断区、线性区(恒流区)和可变电阻区，线性区(恒流区)相当于三极管的放大区，有时候也称为放大区；可变电阻区相当于三极管的饱和区，在这个区域MOSFET基本上完全导通。

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。

图3：AOT460的开通轨迹

（1）截止区

开通前MOSFET起始工作点位于图3的右下角A点以下，AOT460的VDD电压为48V，VGS的电压逐渐升高，ID电流为0，VGS的电压从0上升到VTH，ID电流从0开始逐渐增大。

（2）动态恒流区（线性区）

动态恒流区（线性区）就是图中的A-B，也就是VGS电压从VTH增加到米勒平台电压VGS(pl)的区间，从这个过程可以非常直观的发现：MOSFET工作在恒流区，因为VGS的电压在变化，这个过程是一个动态恒流的过程，也就是VGS电压和ID电流自动找平衡的动态过程。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gfs：

gfs = DID / DVGS

跨导gfs可以在MOSFET数据表中查到。

在这个过程中，VDS电压保持不变（A-B垂直横轴），VGD的电压为VGS-VDS，为负压，就是D的电压高于G。当ID电流达到负载的最大允许电流ID(max)时，也就是图3中的B点，MOSFET进入下一个工作区：米勒平台区。

（3）米勒平台区

从B点开始，VDS开始下降，VGD负电压绝对值也开始下降，只要D极电压开始变化，就会产生非常大的dv/dt，通过电容Crss，产生的电流为：

iCrss = Crss×dv/dt

这个电流足够大，可以将驱动电路能够提供的电流都抽取过去，驱动电路的电流几乎全部流过Crss（CGD），以扫除Crss电容（米勒电容）存储的电荷，这样CGD电容几乎没有电流流过，栅极电压也就基本维持不变，可以看到VGS在一段时间B-C内维持一个平台电压，，这就是米勒平台区。

在这个工作区，栅级对应的米勒平台电压，由系统的最大电流ID(max)和MOSFET的VTH、跨导来决定，满足上面的公式。

随着VDS电压不断的降低，VGD的电压绝对值也不断的降低，在B-C的中间某一时刻，VGD的电压由负变为0，然后开始正向增加。当VDS电压降低到最低值时，米勒电容的电荷基本上被全部扫除，即图3中的C点，VDS的电压不再变化，而且Crss电压也正向增加到米勒平台电压。

从图3可以看到，在米勒平台区，VGS电压不是绝对的保持不变，而是应该有非常小、非常小的上升幅度，这样的幅度可以忽略，因此基本上认定其电压保持不变，MOSFET在一段稳定的时间内，处于相对稳定的恒流区，工作于放大状态。即

（4）可变电阻区

图3中C-D区为可变电阻区，此时CGS、CGD电压相等都为米勒平台电压，VDS电压不再变化，即：D极电压基本上保持恒定不变，那么CGD就不再有dv/dt产生的抽取电流，因此驱动电路又开始同时对CGS+CGD充电，VGS电压从米勒平台电压开始增加，直到达到驱动电压的最大值。这个过程中，MOSFET导通压降稍有降低，降低到最小值，基本上变化不大，导通压降为ID的电流和导通电阻的乘积，这也是完全导通区。

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（放大区）和可变电阻区的过程。恒流区有动态恒流区、一段稳定时间的米勒平台恒流区，此时MOSFET均工作于放大状态，这也可以理解：MOSFET在开关过程中，跨越恒流区（放大区），是MOSFET产生开关损耗的直接原因。

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