基於漏極導通區特性來理解MOSFET的開關過程

　　MOSFET 的柵極電荷特性與開關過程

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/327359.htm

　　儘管 MOSFET 在開關電源、電機控制等一些電子系統中得到廣泛的應用，但是許多電子工程師並沒有十分清楚的理解 MOSFET 開關過程，以及 MOSFET 在開關過程中所處的狀態。一般來說，電子工程師通常基於柵極電荷理解 MOSFET 的開通的過程，如圖 1 所示。此圖在 MOSFET 數據表中可以查到。

　　MOSFET的D和S極加電壓為VDD，當驅動開通脈衝加到MOSFET的G和S極時，輸入電容Ciss充電，G和S極電壓Vgs線性上升併到達門檻電壓VGS(th)，Vgs上升到VGS(th)之前漏極電流Id ≈0A，沒有漏極電流流過，Vds的電壓保持VDD不變。

　　當Vgs到達VGS(th)時，漏極開始流過電流Id，然後Vgs繼續上升，Id也逐漸上升，Vds仍然保持VDD。當Vgs到達米勒平臺電壓VGS(pl)時，Id也上升到負載電流最大值ID，Vds的電壓開始從VDD下降。

　　米勒平臺期間，Id電流維持ID，Vds電壓不斷降低。

　　米勒平臺結束時刻，Id電流仍然維持ID，Vds電壓降低到一個較低的值。米勒平臺結束後，Id電流仍然維持ID，Vds電壓繼續降低，但此時降低的斜率很小，因此降低的幅度也很小，最後穩定在Vds = Id × Rds(on)。因此通常可以認為米勒平臺結束後MOSFET基本上已經導通。

　　對於上述的過程，理解難點在於為什麼在米勒平臺區，Vgs的電壓恆定?驅動電路仍然對柵極提供驅動電流，仍然對柵極電容充電，為什麼柵極的電壓不上升?而且柵極電荷特性對於形象的理解MOSFET的開通過程並不直觀。因此，下面將基於漏極導通特性解MOSFET開通過程。

　　MOSFET的漏極導通特性 與開關過程

　　MOSFET 的漏極導通特性如圖 2 所示。MOSFET 與三極體一樣，當 MOSFET 應用於放大電路時，通常要使用此曲線研究其放大特性。只是三極體使用的基極電流，集電極電流和放大倍數，而 MOSFET 管使用柵極電壓，漏極電流和跨導。

　　三極體有三個工作區：截止區，放大區和飽和區，而 MOSFET 對應是是關斷區，恆流區和可變電阻區。注意到：MOSFET 恆流區有時也稱飽和區或放大區。當驅動開通脈衝加到 MOSFET 的 G 和 S 極時，Vgs的電壓逐漸升高時，MOSFET 的開通軌跡 A-B-C-D 見圖 3的路線所示。

　　開通前，MOSFET 起始工作點位於圖 3 的右下角 A 點，AOT460 的 VDD電壓為 48V，Vgs的電壓逐漸升高，Id電流為 0，Vgs的電壓到 VGS(th)，Id電流從 0 開始逐漸增大。

　　A-B 就是 Vgs的電壓從 VGS(th 增加到 VGS(pl)的過程。從 A 到 B 點的過程中，可以在非常直觀的發現，此過程工作於 MOSFET 的恆流區，也就是 Vgs電壓和 Id電流自動找平衡的過程，即：Vgs電壓的變化伴隨著 Id電流相應的變化，其變化關係就是 MOSFET 的跨導：

　　當 Id電流達到負載的最大允許電流 ID時，此時對應的柵級電壓。由於此時 Id電流恆定，因此柵極 Vgs電壓也恆定不變，見圖 3 中的 B-C，此時 MOSFET 處於相對穩定的恆流區，工作於放大器的狀態。

　　開通前，Vgd的電壓為 Vgs-Vds，為負壓，進入米勒平臺，Vgd的負電壓絕對值不斷下降，過 0 後轉為正電壓。驅動電路的電流絕大部分流過 CGD，以掃除米勒電容的電荷，因此柵極的電壓基本維持不變。Vds電壓降低到很低的值後，米勒電容的電荷基本上被掃除，即圖 3中的 C 點，於是，柵極的電壓在驅動電流的充電下又開始升高，見圖 3 中的 C-D，使 MOSFET進一步完全導通。

　　C-D 為可變電阻區，相應的 Vgs電壓對應著一定的 Vds電壓。Vgs電壓達到最大值，Vds電壓達到最小值，由於 Id電流為 ID恆定，因此 Vds的電壓即為 ID和 MOSFET 的導通電阻的乘積。

　　結論

　　基於 MOSFET 的漏極導通特性曲線可以直觀的理解 MOSFET 開通時，跨越關斷區、恆流區和可變電阻區的過程。米勒平臺即為恆流區，MOSFET 工作於放大狀態，Id電流為 Vgs電壓和跨導乘積。