MOSFET 的柵極電荷特性與開關(guān)過程

　　盡管 MOSFET 在開關(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有十分清楚的理解 MOSFET 開關(guān)過程，以及 MOSFET 在開關(guān)過程中所處的狀態(tài)。一般來說，電子工程師通?；跂艠O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。

　　MOSFET的D和S極加電壓為VDD，當(dāng)驅(qū)動(dòng)開通脈沖加到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(dāng)Vgs到達(dá)VGS(th)時(shí)，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(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)。因此通常可以認(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的開通過程并不直觀。因此，下面將基于漏極導(dǎo)通特性解MOSFET開通過程。

　　MOSFET的漏極導(dǎo)通特性 與開關(guān)過程

　　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 管使用柵極電壓，漏極電流和跨導(dǎo)。

　　三極管有三個(gè)工作區(qū)：截止區(qū)，放大區(qū)和飽和區(qū)，而 MOSFET 對(duì)應(yīng)是是關(guān)斷區(qū)，恒流區(qū)和可變電阻區(qū)。注意到：MOSFET 恒流區(qū)有時(shí)也稱飽和區(qū)或放大區(qū)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)開通脈沖加到 MOSFET 的 G 和 S 極時(shí)，Vgs的電壓逐漸升高時(shí)，MOSFET 的開通軌跡 A-B-C-D 見圖 3的路線所示。

　　開通前，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(diǎn)的過程中，可以在非常直觀的發(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(dòng)找平衡的過程，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)：

　　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 0 后轉(zhuǎn)為正電壓。驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，于是，柵極的電壓在驅(qū)動(dòng)電流的充電下又開始升高，見圖 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 開通時(shí)，跨越關(guān)斷區(qū)、恒流區(qū)和可變電阻區(qū)的過程。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。