瑶芯微技术分享 | MOSFET开关过程详解

时间： 2024-06-30 来源：瑶芯微电子公众号

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MOSFET开关过程详解

前言

由于MOSFET是电压型器件，当驱动电压Vgs大于Vth电压就可以开通，开通就是给寄生电容充电的过程，同理，关断就是寄生电容的放电过程。

寄生电容

输入电容Ciss=Cgs+Cgd，由DS短路测得

输出电容Coss=Cgd+Cds，GS短路，Cgd和Cds并联所得

反向传输电容Crss=Cgd，也叫米勒电容。这个电容不是恒定的，它随着G极和D极间电压变化而迅速变化，同时会影响G极和S极电容的充电

开通过程

Vth——MOSFET的GS极之间开启阈值电压，这个阈值电压（Gate-source threshold voltage），完整的标记为VGS(th)，是MOSFET的重要参数之一，一般简单标记为Vth，定义为可以在源极和漏极之间形成导电沟道的最小栅极偏压。

VP——米勒台阶电压，是指在MOSFET开关过程中，栅极电压在一定时间内保持稳定的电压值。在这个时间段内，栅极电压不随着栅极电流的变化而变化。

MOSFET从关闭到完全导通可以分为下面几个阶段：

0-t1（截止区）：在VGS还没到来之前的阶段，此时MOSFET完全没有打开，电路本质就是一个RC充放电电路，如下图所示，该阶段Id等于0，MOSFET处于截止状态。
t1-t2（饱和区）：MOSFET开始“松动”了，Id从0开始增加，按照一个压控电流源的形式和一定的斜率线性增加。该斜率由这个压控电流源的跨导决定。MOSFET在这个阶段有漏极电流开始流过，VDS仍然保持Vdd。此上升斜坡持续直至第二阶段的结束时刻，电流Id达到饱和或达到负载最大电流，VGS一直上升达到米勒平台电压VP
t2-t3（米勒区）：VGS被限制于固定值（MOSFET的传输特性），故在此期间Cgs不再消耗电荷，驱动电流转而流向Cgd并给其充电(Cgd先放电再充电，两端极性反转)。而随着VDS由高压降低到Id*RDS(on)，这个过程Cgd也随VDS变小增大，所以Ig给Cgd充电所需要的电荷比较大。因此Cgd电容的大小直接影响了MOSFET开关时间，对于快速开关应用，尽量减小该平台时间。
t3-t4（线性区）：在Ig的继续充电下，VGS又进入线性上升阶段。这时候漏极电压下降至VDS=Id *RDS(on)，此时MOSFET的工作状态进入了电阻区，栅极电压不再受漏极电流影响自由上升。

MOSFET关断是开通的逆过程。

重点讨论：在米勒区，D极电压开始变化，就会产生非常大的dv/dt，通过电容Cgd，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Cgd，以扫除Cgd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t2- t3内维持一个平台电压。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。

随着Vds电压不断的降低，Vgd的电压绝对值也不断的降低， 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。

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