基于漏極導通區(qū)特性理解MOSFET開關過程

本文先介紹了基于功率MOSFET的柵極電荷特性的開關過程；然后介紹了一種更直觀明析的理解功率MOSFET開關過程的方法：基于功率MOSFET的導通區(qū)特性的開關過程，并詳細闡述了其開關過程。開關過程中，功率MOSFET動態(tài)的經(jīng)過是關斷區(qū)、恒流區(qū)和可變電阻區(qū)的過程。在跨越恒流區(qū)時，功率MOSFET漏極的電流和柵極電壓以跨導為正比例系列，線性增加。米勒平臺區(qū)對應著最大的負載電流。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關過程
盡管MOSFET在開關電源、電機控制等一些電子系統(tǒng)中得到廣泛的應用，但是許多電子工程師并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(tài)。一般來說，電子工程師通常基于柵極電荷理解MOSFET的開通的過程，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，當驅動開通脈沖加到MOSFET的G和S極時，輸入電容Ciss充電，G和S極電壓Vgs線性上升并到達門檻電壓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，然后Vgs繼續(xù)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。米勒平臺結束后，Id電流仍然維持ID，Vds電壓繼續(xù)降低，但此時降低的斜率很小，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為米勒平臺結束后MOSFET基本上已經(jīng)導通。

對于上述的過程，理解難點在于為什么在米勒平臺區(qū)，Vgs的電壓恒定？驅動電路仍然對柵極提供驅動電流，仍然對柵極電容充電，為什么柵極的電壓不上升？而且柵極電荷特性對于形象的理解MOSFET的開通過程并不直觀。因此，下面將基于漏極導通特性理解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與三極管一樣，當MOSFET應用于放大電路時，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。

圖2 AOT460的漏極導通特性

三極管有三個工作區(qū)：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)，MOSFET對應是關斷區(qū)、恒流區(qū)和可變電阻區(qū)。注意：MOSFET恒流區(qū)有時也稱飽和區(qū)或放大區(qū)。當驅動開通脈沖加到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如圖3中的路線所示。

圖3 AOT460的開通軌跡

開通前，MOSFET起始工作點位于圖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的電壓達到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，可以非常直觀的發(fā)現(xiàn)，此過程工作于MOSFET的恒流區(qū)，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，其變化關系就是MOSFET的跨導：，跨導可以在MOSFET數(shù)據(jù)表中查到。

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。由于此時Id電流恒定，因此柵極Vgs電壓也恒定不變，見圖3中的B-C，此時MOSFET處于相對穩(wěn)定的恒流區(qū)，工作于放大器的狀態(tài)。

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后轉為正電壓。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后，米勒電容的電荷基本上被掃除，即圖3中的C點，于是，柵極的電壓在驅動電流的充電下又開始升高，如圖3中的C-D，使MOSFET進一步完全導通。

C-D為可變電阻區(qū)，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，由于Id電流為ID恒定，因此Vds的電壓即為ID和MOSFET的導通電阻的乘積。

結論
基于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(qū)、恒流區(qū)和可變電阻區(qū)的過程。米勒平臺即為恒流區(qū)，MOSFET工作于放大狀態(tài)，Id電流為Vgs電壓和跨導乘積。