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详解MOSFET导通过程

来源:功率半导体生态圈发布时间:2023-06-12

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来源：自制电路网

正确计算的MOSFET导通过程可以确保器件以最佳效率导通。

在设计基于MOSFET的电路时，你可能想知道开启MOSFET的正确方法是什么？或者简单地说，在器件的栅极/源极上施加的最小电压是多少，才能完美地将其打开？

虽然对于许多数字系统来说，这可能不是一个问题，但5V系统，如DSP、FPGA和Arduinos，需要提升它们的输出，以便为连接的MOSFET提供最佳的开关条件。

而在这些情况下，设计者开始查看MOSFET的规格，以获得阈值电压数据。设计者假设，当这个阈值水平被跨越时，MOSFET将打开并改变状态。

然而，这可能并不像看上去那么简单。

什么是阈值电压VGS(th)

首先，我们必须认识到，阈值电压（表示为VGS(th)）不是电路设计者所要担心的。

准确地说，它是导致MOSFET漏极电流跨越250μA的阈值水平的栅极电压，这是在实际应用中通常可能永远不会出现的条件下进行的测试。

在某些分析中，恒定的5V被用于对器件进行上述测试。但这个测试通常是在器件的栅极和漏极相互连接或短路的情况下进行。你可以很容易地在数据手册中得到这些信息，所以这个测试没有什么神秘的。

上表指出了一个例子MOSFET的阈值水平和相关测试条件。

对于一个理想的应用，设计者可能会担心一种可怕的情况，即 "诱导 "栅极电压，这可能是一个严重的问题，例如在同步降压转换器的低端MOSFET中。

正如前面所讨论的，在这里我们也必须明白，跨越阈值VGS(th)水平可能不会迫使器件进入击穿击穿状态。这个电平实际上是告诉设计者关于MOSFET刚开始导通的阈值，而不是事情完全结束的情况。

当MOSFET处于关断状态时，栅极电压最好保持在VGS(th)水平以下，以防止电流泄漏。但在打开时，这个参数可以简单地忽略。

传递特性曲线

你可以在MOSFET数据表中找到另一个名为转移特性的曲线图，解释其对增加栅极电压的开启行为。

准确地说，这可能与栅极电压和器件外壳温度方面的电流变化分析更有关系。在这种分析中，VDS被保持在一个固定的水平，但也是很高的水平，大约是15V，这在数据表的规格中可能没有显示出来。

如果我们参考上面的曲线，我们就会意识到，对于20安培的漏极电流，3.2V的栅极至源极电压可能是不够的。

这种组合将导致VDS为10V，通常耗散为200瓦。

转移曲线数据对于在线性范围内工作的MOSFET来说是很有用的，但是曲线数据对于开关应用中的MOSFET来说可能意义不大。

输出特性

揭示有关MOSFET全开状态的实际数据的曲线被称为输出曲线，如下图所示：

在这里，对于不同的VGS水平，MOSFET的正向压降被测量为电流的函数。器件工程师使用该曲线数据来确认栅极电压的最佳水平。

对于确保MOSFET全开的每一级栅极电压[RDS(on)]，我们可以得到漏极到源极的电压降(VGS)范围，与漏极电流有严格的线性响应。这个范围从零开始，一直向上。

对于较低的栅极电压(VGS)，当漏极电流增加时，我们发现曲线失去了线性响应，经过 "膝"，然后变平。

上述曲线细节为我们提供了从2.5V到3.6V的栅极电压范围的完整输出特性。

MOSFET用户通常会认为这是一个线性函数。然而，相比之下，器件工程师可能更愿意关注图表中的灰色区域，这表明应用栅极电压的电流饱和区域。

它显示了已经触及饱和点或饱和极限的电流数据。在这一点上，如果增加VDS将导致电流的边际增加，但漏极电流的小幅增加可能会导致VDS的大幅增加。

对于增加的栅极电压水平，使MOSFET能够完全打开，绿色阴影区域将向我们展示该工艺的工作点，表示为电阻（或欧姆）区域。

请注意，这里的曲线只显示了典型值，并不包括任何最小或最大Bou。

当在较低的环境温度下工作时，器件将需要更高的栅极电压以保持在电阻区，它可能以0.3 %/°C的速度上升。

什么是MOSFET RDS(on)

当器件工程师必须接触到MOSFET的输出特性时，他们基本上会想了解器件的RDS(on)，并参考具体的工作条件。一般来说，这可以是VGS和IDS的混合，跨越曲线偏离直线进入灰色阴影所示部分的区域。

考虑到上面讨论的例子，栅极电压为3.1V，初始电流为10安培，工程师将知道RDS(on)将倾向于大于估计值。

说到这里，我们是否期望MOSFET制造商提供有关的近似数据？由于VDS和IDS这两个量在曲线中很容易获得，因此将这两个量除以结果的RDS(on)可能会变得过于诱人，而且常常被放弃。

然而，遗憾的是，我们在这里没有RDS(on)的评估。它似乎无法用于上述情况，因为对于代表阻力的负载线的任何部分都必须以线性方式穿过原点。也就是说，也许可以像非线性电阻一样，以聚合的形式模拟负载线。

至少，这将保证在原点（0，0）维持对实际工作的任何理解。

栅极电荷曲线特征

正是栅极电荷曲线数据实际上为我们提供了关于MOSFET的导通规格的真正提示，如下图所示：

尽管上述曲线是所有MOSFET数据表中的标准内容，但MOSFET用户很少能理解其基本指示。

此外，现代MOSFET布局的进步，如沟槽和屏蔽栅极，要求对数据进行修订处理。

例如，名为 "栅极电荷 "的规格本身可能略带误导。

曲线的线性部分和分割部分并不像给电容器充电的电压，不管它可能表现出多少非线性值。

准确地说，栅极电荷曲线标志着两个非并联电容器的相关数据，具有不同的幅度和承载不同的电压水平。

在理论上，从MOSFET栅极终端看到的功能电容是用公式定义的：

Ciss = Cgs + Cgd

其中Ciss = 栅极电容，Cgs = 栅源电容，Cgd = 栅漏电容

尽管测量这个单位并在数据表中说明似乎相当简单，但必须注意，术语Ciss实际上不是一个真正的电容。

如果认为MOSFET仅仅通过施加在 "栅极电容Ciss "上的电压而被打开，那可能是完全错误的。

如上图所示，就在MOFET接通之前，栅极电容没有电荷，但栅极漏极Cgd处的电容拥有一个需要消除的负电荷。

这两个电容都具有非线性性质，它们的值在很大程度上随着施加电压的变化而变化。

因此，必须注意的是，决定其开关特性的是MOSFET的存储电荷，而不是某一特定电压水平的电容值。

由于构成Ciss的两个电容元件具有不同的物理属性，它们往往在不同的电压水平下被充电，这就要求MOSFET的导通过程也要经过两个阶段。

对于电阻和电感应用来说，准确的顺序可能是不同的，但一般来说，大多数实际负载都是高度电感性的，这个过程可以模拟成下图所示：

栅极充电时序

MOSFET的栅极充电时序可以从下图中研究：

可以通过以下解释来理解它：

T0 - T1：Cgs从零充电到VGS(th)。VDS或IDS没有发生任何变化。
T1-T2，随着栅极电压从VGS(th)上升到高原电压Vgp，MOSFET的电流开始上升。
在这里，IDS增加，并从0V达到满载电流，尽管VDS保持不受影响和恒定。相关的电荷是通过Cgs从0V到Vgp的积分和数据手册中给出的Qgs形成的。
T2 - T3：观察T2和T3之间的平坦区域，它被称为米勒高原。
在开关接通之前，Cgd充电并保持到电源电压VIN，直到IDS在T2达到峰值I（负载）。
在T2和T3之间的时间，负电荷（VIN-Vgp）相对于高原电压Vgp转化为正电荷。
这也可以被看作是漏极电压从VIN下降到几乎为零的过程。
所涉及的电荷等于从0到Vin的Cgd积分，在数据手册中显示为Qgd。
在T3-T4期间，栅极电压从Vgp攀升到VGS，在这里我们发现VDS和IDS几乎没有任何变化，但随着栅极电压的上升，有效的RDS(on)略有下降。在高于Vgp的某个电压水平，为制造商提供了足够的信心来固定有效RDS(on)的上限。