基于漏極導(dǎo)通區(qū)特性理解MOSFET開(kāi)關(guān)過(guò)程

本文先介紹了基于功率MOSFET的柵極電荷特性的開(kāi)關(guān)過(guò)程；然后介紹了一種更直觀明析的理解功率MOSFET開(kāi)關(guān)過(guò)程的方法：基于功率MOSFET的導(dǎo)通區(qū)特性的開(kāi)關(guān)過(guò)程，并詳細(xì)闡述了其開(kāi)關(guān)過(guò)程。開(kāi)關(guān)過(guò)程中，功率MOSFET動(dòng)態(tài)的經(jīng)過(guò)是關(guān)斷區(qū)、恒流區(qū)和可變電阻區(qū)的過(guò)程。在跨越恒流區(qū)時(shí)，功率MOSFET漏極的電流和柵極電壓以跨導(dǎo)為正比例系列，線性增加。米勒平臺(tái)區(qū)對(duì)應(yīng)著最大的負(fù)載電流。可變電阻區(qū)功率MOSFET漏極減小到額定的值。

MOSFET的柵極電荷特性與開(kāi)關(guān)過(guò)程
盡管MOSFET在開(kāi)關(guān)電源、電機(jī)控制等一些電子系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，但是許多電子工程師并沒(méi)有十分清楚的理解MOSFET開(kāi)關(guān)過(guò)程，以及MOSFET在開(kāi)關(guān)過(guò)程中所處的狀態(tài)。一般來(lái)說(shuō)，電子工程師通?；跂艠O電荷理解MOSFET的開(kāi)通的過(guò)程，如圖1所示。此圖在MOSFET數(shù)據(jù)表中可以查到。

圖1 AOT460柵極電荷特性

MOSFET的D和S極加電壓為VDD，當(dāng)驅(qū)動(dòng)開(kāi)通脈沖加到MOSFET的G和S極時(shí)，輸入電容Ciss充電，G和S極電壓Vgs線性上升并到達(dá)門(mén)檻電壓VGS(th)，Vgs上升到VGS(th)之前漏極電流Id≈0A，沒(méi)有漏極電流流過(guò)，Vds的電壓保持VDD不變。

當(dāng)Vgs到達(dá)VGS(th)時(shí)，漏極開(kāi)始流過(guò)電流Id，然后Vgs繼續(xù)上升，Id也逐漸上升，Vds仍然保持VDD。當(dāng)Vgs到達(dá)米勒平臺(tái)電壓VGS(pl)時(shí)，Id也上升到負(fù)載電流最大值ID，Vds的電壓開(kāi)始從VDD下降。
米勒平臺(tái)期間，Id電流維持ID，Vds電壓不斷降低。

米勒平臺(tái)結(jié)束時(shí)刻，Id電流仍然維持ID，Vds電壓降低到一個(gè)較低的值。米勒平臺(tái)結(jié)束后，Id電流仍然維持ID，Vds電壓繼續(xù)降低，但此時(shí)降低的斜率很小，因此降低的幅度也很小，最后穩(wěn)定在Vds=Id×Rds(on)。因此通?？梢哉J(rèn)為米勒平臺(tái)結(jié)束后MOSFET基本上已經(jīng)導(dǎo)通。

對(duì)于上述的過(guò)程，理解難點(diǎn)在于為什么在米勒平臺(tái)區(qū)，Vgs的電壓恒定？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？而且柵極電荷特性對(duì)于形象的理解MOSFET的開(kāi)通過(guò)程并不直觀。因此，下面將基于漏極導(dǎo)通特性理解MOSFET開(kāi)通過(guò)程。

MOSFET的漏極導(dǎo)通特性與開(kāi)關(guān)過(guò)程
MOSFET的漏極導(dǎo)通特性如圖2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使用柵極電壓、漏極電流和跨導(dǎo)。

圖2 AOT460的漏極導(dǎo)通特性

三極管有三個(gè)工作區(qū)：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)，MOSFET對(duì)應(yīng)是關(guān)斷區(qū)、恒流區(qū)和可變電阻區(qū)。注意：MOSFET恒流區(qū)有時(shí)也稱(chēng)飽和區(qū)或放大區(qū)。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如圖3中的路線所示。

圖3 AOT460的開(kāi)通軌跡

開(kāi)通前，MOSFET起始工作點(diǎn)位于圖3的右下角A點(diǎn)，AOT460的VDD電壓為48V，Vgs的電壓逐漸升高，Id電流為0，Vgs的電壓達(dá)到VGS(th)，Id電流從0開(kāi)始逐漸增大。

A-B就是Vgs的電壓從VGS(th)增加到VGS(pl)的過(guò)程。從A到B點(diǎn)的過(guò)程中，可以非常直觀的發(fā)現(xiàn)，此過(guò)程工作于MOSFET的恒流區(qū)，也就是Vgs電壓和Id電流自動(dòng)找平衡的過(guò)程，即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)：，跨導(dǎo)可以在MOSFET數(shù)據(jù)表中查到。

當(dāng)Id電流達(dá)到負(fù)載的最大允許電流ID時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的柵級(jí)電壓。由于此時(shí)Id電流恒定，因此柵極Vgs電壓也恒定不變，見(jiàn)圖3中的B-C，此時(shí)MOSFET處于相對(duì)穩(wěn)定的恒流區(qū)，工作于放大器的狀態(tài)。

開(kāi)通前，Vgd的電壓為Vgs-Vds，為負(fù)壓，進(jìn)入米勒平臺(tái)，Vgd的負(fù)電壓絕對(duì)值不斷下降，過(guò)0后轉(zhuǎn)為正電壓。驅(qū)動(dòng)電路的電流絕大部分流過(guò)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后，米勒電容的電荷基本上被掃除，即圖3中的C點(diǎn)，于是，柵極的電壓在驅(qū)動(dòng)電流的充電下又開(kāi)始升高，如圖3中的C-D，使MOSFET進(jìn)一步完全導(dǎo)通。

C-D為可變電阻區(qū)，相應(yīng)的Vgs電壓對(duì)應(yīng)著一定的Vds電壓。Vgs電壓達(dá)到最大值，Vds電壓達(dá)到最小值，由于Id電流為ID恒定，因此Vds的電壓即為ID和MOSFET的導(dǎo)通電阻的乘積。

結(jié)論
基于MOSFET的漏極導(dǎo)通特性曲線可以直觀的理解MOSFET開(kāi)通時(shí)，跨越關(guān)斷區(qū)、恒流區(qū)和可變電阻區(qū)的過(guò)程。米勒平臺(tái)即為恒流區(qū)，MOSFET工作于放大狀態(tài)，Id電流為Vgs電壓和跨導(dǎo)乘積。