基于漏極導通區特性理解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(guān)明析的理解功率MOSFET開(kāi)關(guān)過(guò)程的方法：基于功率MOSFET的導通區特性的開(kāi)關(guān)過(guò)程，并詳細闡述了其開(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、恒流區和可變電阻區的過(guò)程。在跨越恒流區時(shí)，功率MOSFET漏極的電流和柵極電壓以跨導為正比例系列，線(xiàn)性增加。米勒平臺區對應著(zhù)最大的負載電流?？勺冸娮鑵^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數據表中可以查到。

圖1 AOT460柵極電荷特性

MOSFET的D和S極加電壓為VDD，當驅動(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(xiàn)性上升并到達門(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Vgs到達VGS(th)時(shí)，漏極開(kāi)始流過(guò)電流Id，然后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(shí)，Id也上升到負載電流最大值ID，Vds的電壓開(kāi)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(shí)刻，Id電流仍然維持ID，Vds電壓降低到一個(gè)較低的值。米勒平臺結束后，Id電流仍然維持ID，Vds電壓繼續降低，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(guò)程，理解難點(diǎn)在于為什么在米勒平臺區，Vgs的電壓恒定？驅動(dòng)電路仍然對柵極提供驅動(dòng)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(kāi)通過(guò)程并不直觀(guān)。因此，下面將基于漏極導通特性理解MOSFET開(kāi)通過(guò)程。

MOSFET的漏極導通特性與開(kāi)關(guān)過(guò)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(shí)，通常要使用此曲線(xiàn)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，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(gè)工作區：截止區、放大區和飽和區，MOSFET對應是關(guān)斷區、恒流區和可變電阻區。注意：MOSFET恒流區有時(shí)也稱(chēng)飽和區或放大區。當驅動(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(xiàn)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(guān)的發(fā)現，此過(guò)程工作于MOSFET的恒流區，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(zhù)Id電流相應的變化，其變化關(guān)系就是MOSFET的跨導：，跨導可以在MOSFET數據表中查到。

當Id電流達到負載的最大允許電流ID時(shí)，此時(shí)對應的柵級電壓。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處于相對穩定的恒流區，工作于放大器的狀態(tài)。

開(kāi)通前，Vgd的電壓為Vgs-Vds，為負壓，進(jìn)入米勒平臺，Vgd的負電壓絕對值不斷下降，過(guò)0后轉為正電壓。驅動(dòng)電路的電流絕大部分流過(guò)CGD，以?huà)叱桌针娙莸碾姾?，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)一步完全導通。

C-D為可變電阻區，相應的Vgs電壓對應著(zhù)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(xiàn)可以直觀(guān)的理解MOSFET開(kāi)通時(shí)，跨越關(guān)斷區、恒流區和可變電阻區的過(guò)程。米勒平臺即為恒流區，MOSFET工作于放大狀態(tài)，Id電流為Vgs電壓和跨導乘積。