MOSFET开关过程详解：从寄生电容到开关特性
MOSFET开关过程详解：从寄生电容到开关特性
MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是现代电子设备中广泛使用的一种功率半导体器件。其开关过程涉及复杂的电容充放电机制，理解这些过程对于优化电路设计和提高系统效率至关重要。本文将详细解析MOSFET的寄生电容特性及其开关过程中的各个阶段，帮助读者深入理解这一重要器件的工作原理。
寄生电容
MOSFET内部存在多种寄生电容，主要包括输入电容（Ciss）、输出电容（Coss）和反向传输电容（Crss）。这些电容对MOSFET的开关速度和性能有重要影响。
- 输入电容：Ciss = Cgs + Cgd，通过将DS短路测得。
- 输出电容：Coss = Cgd + Cds，通过将GS短路测得，此时Cgd和Cds并联。
- 反向传输电容（米勒电容）：Crss = Cgd，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
MOSFET从关闭到完全导通可以分为以下几个阶段：
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。该阶段Id等于0，MOSFET处于截止状态。
t1-t2（饱和区）
MOSFET开始“松动”，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。
关断过程
MOSFET的关断过程是开通过程的逆过程。在米勒区，D极电压开始变化，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。
总结
MOSFET的开关过程是一个复杂的电容充放电过程，其中米勒电容的影响尤为显著。理解这些过程对于优化电路设计和提高系统效率至关重要。瑶芯微电子科技（上海）有限公司致力于功率器件、智能传感器和信号链IC的设计、研发和销售，其产品广泛应用于消费类、工业类以及车载领域，具备自有知识产权、可国产替代的高可靠性和高性价比。