功率器件MOSFET開關過程大揭秘

功率器件MOSFET作為一種在開關電源新產品研發過程中不可或缺的重要元件，歷來是新人工程師開始接觸電源設計時的學習重點之一，而弄清楚MOSFET的導通和關斷過程則是重中之重。本文將會就功率MOSFET的導通和關斷過程進行詳細分析和總結。

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MOSFET導通過程

想要弄清楚MOSFET的導通和關斷過程，首先需要做的一個步驟就是建立一個基礎的MOSFET電路模型。本文所建立的MOSFET開關模型，主要體現的是低導通值MOSFET寄生參數：G、D、S間的電容，CGS，CGD，CDS用於分析驅動過程;DS間的寄生三極體，分析漏極擾動對MOSFET的影響：一是內部三極體導通而雪崩，二是CGD耦合引起門極電位上升，使MOSFET誤導通。

在本文所建立的這一MOSFET參考模型中，模型內所描述的體內寄生三極體中還特別包含一個重要的寄生器件，體二極體。體二極體是MOSFET製成工藝中產生的不可避免的副產品，它和普通的PN結型二極體一樣有難以克服的反向恢復時間tf。在高速同步整流應用中，tf直接影響開關管的性能和損耗。

圖1 MOSFET開關模型

首先來看功率器件MOSFET的導通過程，在本文所建立的這一開關模型中執行到銅操作，此時PWM高電平信號經過功率放大轉換，對門極充電。一路電流是為CGS充電，電流經過源極，負載回到地。另一路是為CGD充電。CGS上的電位逐漸上升，充滿到達門極開啟電壓時，DS溝道間開始出現電流，第一階段結束，如圖2所示的1，2時間段。第二階段主要對電容CGD充電，VDS電壓開始下降，門極電壓不再上升，CGD表現為米勒電容，容量放大接近20倍，這階段溝道電流和電壓同時存在也是開關損耗的時期，如圖2所示的第3時間段。

當MOSFET器件內的門極電壓被建立起來後，此時器件內部的VDS電壓將會下降到最小值，由於MOSFET的控制電子與溝道電流完全隔離，一旦MOSFET開啟後，門極只流過納安級的電流，驅動電流可以忽略。

圖2 MOSFET導通波形圖

下面我們以這一MOSFET的導通過程為例，具體分析一下當這一器件在開關頻率為250KHz條件下時，其門極電壓從0v上升到10v在tr時間內的所需的平均電流。在這一條件下，選用AOD436，則N-MOSFET13mOhm@Vgs=4.5V，設計要求驅動時間tr為15ns，則充滿CGS所需電流I1為該時間電容電壓變化的微分，此時有公式為：

當輸入電流完成對功率器件CGD電容的充電後，此時漏極導通，則電容D、S間的電壓由供電電壓VIN下降到導通壓降。認為導通壓降VDS足夠小，這樣CDS兩端的壓降為VIN+VGS，此時有公式：

通過對上文中所提供的驅動電流公式進行計算，我們可以得出結論，此時總的驅動電流Ig=IGS+IGD。儘管門極輸入電流可達5-8A，但持續時間只有15ns，這就要求驅動電路在開啟MOSFET時有足夠的電荷釋放能力。同樣關斷MOSFET時，門極上的電荷要快速洩放，除了有放電迴路外，驅動電路還有吸電流能力，保證MOSFET快速關斷，減少開關損耗。

MOSFET關斷過程

在了解了功率器件MOSFET的導通過程後，其關斷過程的分析就顯得相對容易了一些。當這一器件被執行關斷操作時，此時器件中的門極電容放電，電壓下降至米勒平臺時，VDS電壓上升到輸入電壓。門極電壓降到開啟電壓時，溝道電流消失，關斷結束。

在執行關斷操作的過程中，由於MOSFET的門極電荷需要在短時間內放空，因此驅動電路不僅要提供放電迴路，還需要具備快速吸電流能力。門極的電容電荷累積極易造成靜電損壞，快速放電迴路也是保證開關管安全的重要措施。但是VDS快速關斷帶來的負面影響是漏極di/dt引起的電壓尖峰，正如前面分析的它可能帶來門極的誤導通和MOSFET內部寄生三極體導通而失效。

圖3 MOSFET關斷時，漏極的振蕩波形

以上就是本文針對功率器件MOSFET的導通和關斷過程所進行的總結和分析，希望通過本文的分享，對各位新人工程師的學習帶來一些幫助。