MOSFET漏极导通特性与开关过程简析

本文就MOSFET的开关过程进行相关介绍与分析，帮助理解学习工作过程中的相关内容。首先简单介绍常规的基于栅极电荷的特性，理解MOSFET的开通和关断的过程，然后从漏极导通特性、也就是放大特性曲线，来理解其开通关断的过程，以及MOSFET在开关过程中所处的状态。

1、MOSFET开通和关断过程

MOSFET的寄生参数示意图如图1所示，开通过程如图2所示。

图1 功率MOSFET的开关模型

t0时刻前，MOSFET工作于截止状态， t0时，MOSFET被驱动开通；

[t0-t1] 区间，MOSFET的GS电压经Vdrive对Ciss充电而上升，在t1时刻，到达维持电压Vth，MOSFET 开始导电。Vgs上升到VTH之前漏极电流Id≈0A，同时Vds的电压保持VDD不变。

[t1-t2] 区间，MOSFET的DS电流Id增加，Vds仍然保持VDD，Vgs上升到米勒平台电压，Id电流也上升到负载电流最大值Id(max)，Vds电压开始从VDD下降。

[t2-t3] 区间，t2时刻，MOSFET工作在饱和区，Vgs保持不变， 此期间，Cgs不再消耗电荷，VDD开始给Cgd提供放电电流。

[t3-t4] 区间，至t3时刻， MOSFET的Vds降至饱和导通时的电压Vds= Id(max) × Rds(on)， 米勒电容Cgd变小并和GS电容Cgs一起由外部驱动电压充电， Cgs的电压上升，至t4 时刻Vgs=VDD为止，此时GS电容电压已达稳态，MOSFET完成导通过程。

图2 功率MOSFET的开通过程波形示意图

功率MOSFET的关断过程与开通过程相反，如图3所示。

图3 功率MOSFET的关断过程波形示意图

在米勒平台区，驱动电路仍然对栅极提供驱动电流、仍然对栅极电容充电，为什么栅极的电压不上升？下面将基于漏极导通特性分析MOSFET开通过程，解释米勒平台区，栅极电压不上升。

2、 **MOSFET漏极导通特性与开关过程 **

MOSFET的漏极导通特性如图4所示，MOSFET与三极管一样，当MOSFET应用于放大电路时，通常要使用此曲线研究其放大特性。只是三极管使用的基极电流、集电极电流和放大倍数，而MOSFET管使用栅极电压、漏极电流和跨导。根据功率MOSFET输出特征，工作区也可以分为三个区：关断区、线性区(恒流区)和可变电阻区。

图4 MOSFET典型的漏极导通特性

当驱动开通脉冲加到MOSFET的G和S极时，Vgs的电压逐渐升高时，MOSFET的开通轨迹A-B-C-D见图5的路线所示。

图5：功率MOSFET的开通轨迹

(1) 截止区

开通前MOSFET起始工作点位于图5的右下角A点以下，Vgs的电压逐渐升高，Id电流为0，Vgs的电压从0上升到Vth，Id电流从0开始逐渐增大。

(2) 恒流区（线性区）

动态恒流区（线性区）就是图中的A-B，也就是Vgs电压从Vth增加到米勒平台电压Vgs(pl)的区间，从这个过程可以非常直观的发现：MOSFET工作在恒流区，因为Vgs的电压在变化，这个过程是一个动态恒流的过程，也就是Vgs电压和Id电流自动找平衡的动态过程。Vgs电压的变化伴随着Id电流相应的变化，其变化关系就是MOSFET的跨导gfs：

在这个过程中，Vgs电压保持不变（A-B垂直横轴），Vgd的电压为Vgs-Vds，为负压，就是D的电压高于G。当Id电流达到负载的最大允许电流ID(max)时，也就是图3中的B点，MOSFET进入下一个工作区：米勒平台区。

(3) 米勒平台区

从B点开始，Vds开始下降，Vgd负电压绝对值也开始下降，只要D极电压开始变化，就会产生非常大的dv/dt，通过电容Crss，产生的电流为：

这个电流足够大，可以将驱动电路能够提供的电流都抽取过去，驱动电路的电流几乎全部流过Crss（Cgd），以扫除Crss电容（米勒电容）存储的电荷，这样Cgs电容几乎没有电流流过，栅极电压也就基本维持不变，可以看到Vgs在一段时间B-C内维持一个平台电压，这就是米勒平台区。

在这个工作区，栅级对应的米勒平台电压，由系统的最大电流Id(max)和MOSFET的Vth、跨导来决定，满足上面的公式。

随着Vds电压不断的降低，Vgd的电压绝对值也不断的降低，在B-C的中间某一时刻，Vgd的电压由负变为0，然后开始正向增加。当Vds电压降低到最低值时，米勒电容的电荷基本上被全部扫除，即图3中的C点，Vds的电压不再变化，而且Crss电压也正向增加到米勒平台电压。

从图5可以看到，在米勒平台区，Vgs电压不是绝对的保持不变，而是应该有非常小、非常小的上升幅度，这样的幅度可以忽略，因此基本上认定其电压保持不变，MOSFET在一段稳定的时间内，处于相对稳定的恒流区，工作于放大状态。

(4) 可变电阻区

图5中C-D区为可变电阻区，此时Cgs、Cgd电压相等都为米勒平台电压，Vds电压不再变化，那么Cgd就不再有dv/dt产生的抽取电流，因此驱动电路又开始对Ciss充电，Vgs电压从米勒平台电压开始增加，直到达到驱动电压的最大值。这个过程中，MOSFET导通压降稍有降低，降低到最小值，基本上变化不大，导通压降为漏极电流Id和导通电阻Rds(on)的乘积，这也是完全导通区。

结语

对于功率MOSFET的开通关断的理解，有助于合理的功率MOSFET的驱动设计，以及开关损耗的理解和计算，帮助设计更优质的电源产品。