本文就MOSFET的開關(guān)過程進行相關(guān)介紹與分析，幫助理解學(xué)習(xí)工作過程中的相關(guān)內(nèi)容。首先簡單介紹常規(guī)的基于柵極電荷的特性，理解MOSFET的開通和關(guān)斷的過程，然后從漏極導(dǎo)通特性、也就是放大特性曲線，來理解其開通關(guān)斷的過程，以及MOSFET在開關(guān)過程中所處的狀態(tài)。

1、MOSFET開通和關(guān)斷過程

MOSFET的寄生參數(shù)示意圖如圖1所示，開通過程如圖2所示。

圖1 功率MOSFET的開關(guān)模型

t0時刻前，MOSFET工作于截止?fàn)顟B(tài)， t0時，MOSFET被驅(qū)動開通；

[t0-t1] 區(qū)間，MOSFET的GS電壓經(jīng)Vdrive對Ciss充電而上升，在t1時刻，到達(dá)維持電壓Vth，MOSFET 開始導(dǎo)電。Vgs上升到VTH之前漏極電流Id≈0A，同時Vds的電壓保持VDD不變。

[t1-t2] 區(qū)間，MOSFET的DS電流Id增加，Vds仍然保持VDD，Vgs上升到米勒平臺電壓，Id電流也上升到負(fù)載電流最大值Id(max)，Vds電壓開始從VDD下降。

[t2-t3] 區(qū)間，t2時刻，MOSFET工作在飽和區(qū)，Vgs保持不變， 此期間，Cgs不再消耗電荷，VDD開始給Cgd提供放電電流。

[t3-t4] 區(qū)間，至t3時刻， MOSFET的Vds降至飽和導(dǎo)通時的電壓Vds= Id(max) × Rds(on)， 米勒電容Cgd變小并和GS電容Cgs一起由外部驅(qū)動電壓充電， Cgs的電壓上升，至t4 時刻Vgs=VDD為止，此時GS電容電壓已達(dá)穩(wěn)態(tài)，MOSFET完成導(dǎo)通過程。

圖2 功率MOSFET的開通過程波形示意圖

功率MOSFET的關(guān)斷過程與開通過程相反，如圖3所示。

圖3 功率MOSFET的關(guān)斷過程波形示意圖

在米勒平臺區(qū)，驅(qū)動電路仍然對柵極提供驅(qū)動電流、仍然對柵極電容充電，為什么柵極的電壓不上升？下面將基于漏極導(dǎo)通特性分析MOSFET開通過程，解釋米勒平臺區(qū)，柵極電壓不上升。

2、 **MOSFET漏極導(dǎo)通特性與開關(guān)過程 **

MOSFET的漏極導(dǎo)通特性如圖4所示，MOSFET與三極管一樣，當(dāng)MOSFET應(yīng)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管使用柵極電壓、漏極電流和跨導(dǎo)。根據(jù)功率MOSFET輸出特征，工作區(qū)也可以分為三個區(qū)：關(guān)斷區(qū)、線性區(qū)(恒流區(qū))和可變電阻區(qū)。

圖4 MOSFET典型的漏極導(dǎo)通特性

當(dāng)驅(qū)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見圖5的路線所示。

圖5：功率MOSFET的開通軌跡

(1) 截止區(qū)

開通前MOSFET起始工作點位于圖5的右下角A點以下，Vgs的電壓逐漸升高，Id電流為0，Vgs的電壓從0上升到Vth，Id電流從0開始逐漸增大。

(2) 恒流區(qū)（線性區(qū)）

動態(tài)恒流區(qū)（線性區(qū)）就是圖中的A-B，也就是Vgs電壓從Vth增加到米勒平臺電壓Vgs(pl)的區(qū)間，從這個過程可以非常直觀的發(fā)現(xiàn)：MOSFET工作在恒流區(qū)，因為Vgs的電壓在變化，這個過程是一個動態(tài)恒流的過程，也就是Vgs電壓和Id電流自動找平衡的動態(tài)過程。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)gfs：

在這個過程中，Vgs電壓保持不變（A-B垂直橫軸），Vgd的電壓為Vgs-Vds，為負(fù)壓，就是D的電壓高于G。當(dāng)Id電流達(dá)到負(fù)載的最大允許電流ID(max)時，也就是圖3中的B點，MOSFET進入下一個工作區(qū)：米勒平臺區(qū)。

(3) 米勒平臺區(qū)

從B點開始，Vds開始下降，Vgd負(fù)電壓絕對值也開始下降，只要D極電壓開始變化，就會產(chǎn)生非常大的dv/dt，通過電容Crss，產(chǎn)生的電流為：

這個電流足夠大，可以將驅(qū)動電路能夠提供的電流都抽取過去，驅(qū)動電路的電流幾乎全部流過Crss（Cgd），以掃除Crss電容（米勒電容）存儲的電荷，這樣Cgs電容幾乎沒有電流流過，柵極電壓也就基本維持不變，可以看到Vgs在一段時間B-C內(nèi)維持一個平臺電壓，這就是米勒平臺區(qū)。

在這個工作區(qū)，柵級對應(yīng)的米勒平臺電壓，由系統(tǒng)的最大電流Id(max)和MOSFET的Vth、跨導(dǎo)來決定，滿足上面的公式。

隨著Vds電壓不斷的降低，Vgd的電壓絕對值也不斷的降低，在B-C的中間某一時刻，Vgd的電壓由負(fù)變?yōu)?，然后開始正向增加。當(dāng)Vds電壓降低到最低值時，米勒電容的電荷基本上被全部掃除，即圖3中的C點，Vds的電壓不再變化，而且Crss電壓也正向增加到米勒平臺電壓。

從圖5可以看到，在米勒平臺區(qū)，Vgs電壓不是絕對的保持不變，而是應(yīng)該有非常小、非常小的上升幅度，這樣的幅度可以忽略，因此基本上認(rèn)定其電壓保持不變，MOSFET在一段穩(wěn)定的時間內(nèi)，處于相對穩(wěn)定的恒流區(qū)，工作于放大狀態(tài)。

(4) 可變電阻區(qū)

圖5中C-D區(qū)為可變電阻區(qū)，此時Cgs、Cgd電壓相等都為米勒平臺電壓，Vds電壓不再變化，那么Cgd就不再有dv/dt產(chǎn)生的抽取電流，因此驅(qū)動電路又開始對Ciss充電，Vgs電壓從米勒平臺電壓開始增加，直到達(dá)到驅(qū)動電壓的最大值。這個過程中，MOSFET導(dǎo)通壓降稍有降低，降低到最小值，基本上變化不大，導(dǎo)通壓降為漏極電流Id和導(dǎo)通電阻Rds(on)的乘積，這也是完全導(dǎo)通區(qū)。

結(jié)語

對于功率MOSFET的開通關(guān)斷的理解，有助于合理的功率MOSFET的驅(qū)動設(shè)計，以及開關(guān)損耗的理解和計算，幫助設(shè)計更優(yōu)質(zhì)的電源產(chǎn)品。