MOSFET導(dǎo)通過程詳解

正確計算的 MOSFET 導(dǎo)通過程可確保器件以最佳效率導(dǎo)通。

在設(shè)計基于 MOSFET 的電路時，您可能想知道打開 MOSFET

的正確方法是什么？或者簡單地說，應(yīng)該在器件的柵極/源極上施加什么最小電壓才能完美地打開？

雖然對于許多數(shù)字系統(tǒng)來說，這可能不是問題，但 DSP、FPGA 和 Arduinos 等 5V 系統(tǒng)需要提升其輸出，以便為連接的 MOSFET

提供最佳開關(guān)條件。

在這些情況下，設(shè)計人員開始查看MOSFET的規(guī)格，以獲得閾值電壓數(shù)據(jù)。設(shè)計人員假設(shè)MOSFET在超過此閾值電平時將導(dǎo)通并改變狀態(tài)。

然而，這可能并不像看起來那么簡單。

什么是閾值電壓V總務(wù)（千）

首先我們必須認(rèn)識到，閾值電壓，表示為V總務(wù)（千）不是電路設(shè)計人員該擔(dān)心的。

確切地說，是柵極電壓導(dǎo)致MOSFET的漏極電流超過250 μA的閾值電平，這是在實際應(yīng)用中通常永遠(yuǎn)不會發(fā)生的條件下進(jìn)行測試的。

在某些分析過程中，使用恒定的5V進(jìn)行上述器件測試。但該測試通常在器件的柵極和漏極相互連接或短路的情況下實施。您可以在數(shù)據(jù)表本身中輕松獲取此信息，因此此測試沒有什么神秘之處。

上表顯示了示例MOSFET的閾值電平和相關(guān)測試條件。

對于所需的應(yīng)用，設(shè)計人員可能會擔(dān)心稱為“感應(yīng)”柵極電壓的可怕情況，這可能是一個嚴(yán)重的問題，例如在同步降壓轉(zhuǎn)換器的低側(cè)MOSFET中。

如前所述，這里我們也必須明白，跨越閾值

V總務(wù)（千）級別可能不會強制設(shè)備進(jìn)入擊穿擊穿狀態(tài)。該電平實際上告訴設(shè)計人員MOSFET剛剛開始導(dǎo)通的閾值，而不是完全結(jié)束的情況。

建議在MOSFET處于關(guān)斷狀態(tài)時，柵極電壓保持在V以下總務(wù)（千）水平，以防止電流泄漏。但是，在打開它時，可以簡單地忽略此參數(shù)。

傳遞特性曲線

您將在 MOSFET 數(shù)據(jù)手冊中找到另一個名為傳輸特性的曲線圖，解釋其響應(yīng)柵極電壓增加時的導(dǎo)通行為。

確切地說，這可能與柵極電壓和器件外殼溫度的電流變化分析更相關(guān)。在此分析中，VDS保持在固定電平但高電平，約為 15V，數(shù)據(jù)表規(guī)格中可能未顯示。

如果我們參考上圖所示的曲線，我們會意識到，對于20 A漏極電流，3.2 V柵源電壓可能不夠。

這種組合將導(dǎo)致VDS為10 V，典型功耗為200瓦。

傳輸曲線數(shù)據(jù)對于在線性范圍內(nèi)工作的MOSFET很有用，但曲線數(shù)據(jù)對于開關(guān)應(yīng)用中的MOSFET可能不太重要。

輸出特性

顯示MOSFET完全導(dǎo)通條件的實際數(shù)據(jù)的曲線稱為輸出曲線，如下所示：

在這里，對于各種級別的 V一般事務(wù)人員MOSFET的正向壓降作為電流的函數(shù)進(jìn)行測量。器件工程師使用此曲線數(shù)據(jù)來確認(rèn)柵極電壓的最佳水平。

對于確保 MOSFET 完全導(dǎo)通的每個柵極電壓水平

［RDS（開啟）］，我們得到一系列壓降（V一般事務(wù)人員）在漏極至源極兩端，與漏極電流具有嚴(yán)格的線性響應(yīng)。范圍從零開始，向上。

對于較低的柵極電壓（V一般事務(wù)人員），當(dāng)漏極電流增加時，我們發(fā)現(xiàn)曲線失去了線性響應(yīng)，穿過“膝蓋”，然后變平。

上述曲線細(xì)節(jié)為我們提供了2.5 V至3.6 V柵極電壓范圍內(nèi)的完整輸出特性。

MOSFET用戶通?？梢詫⑵湟暈榫€性函數(shù)。然而，相比之下，器件工程師可能更愿意更多地關(guān)注圖中的灰色區(qū)域，該區(qū)域表示施加?xùn)艠O電壓的電流飽和區(qū)域。

它揭示了已觸及飽和點或飽和極限的當(dāng)前數(shù)據(jù)。此時，如果 VDS增加將導(dǎo)致電流略有增加，但漏極電流的小幅增加可能導(dǎo)致更大的VDS.

對于增加的柵極電壓電平，使MOSFET能夠完全導(dǎo)通，綠色陰影區(qū)域?qū)⑾蛭覀冿@示該過程的工作點，指示為阻性（或歐姆）區(qū)域。

請注意，此處的曲線僅顯示典型值，不包括任何最小或最大邊界。

在較低的環(huán)境溫度下工作時，該器件將需要更高的柵極電壓才能保持在電阻區(qū)域，該區(qū)域可能會以0.3%/°C的速度上升。

什么是MOSFET RDS（on）

當(dāng)器件工程師必須遇到MOSFET的輸出特性時，他們基本上希望了解RDS （打開）的器件參照具體操作條件。

通常，這可以是 V 的混合一般事務(wù)人員和我DS穿過曲線偏離直線的區(qū)域，進(jìn)入灰色陰影指示的部分。

考慮到上面討論的示例，柵極電壓為3.1

V，初始電流為10安培，工程師將知道RDS（開啟）將傾向于大于估計值。話雖如此，我們是否期望MOSFET制造商提供這方面的近似數(shù)據(jù)？

兩個數(shù)量 VDS和我DS在曲線中很容易得到，它可能變得太誘人，并且經(jīng)常屈服于，在得到的R處除以兩個量DS（開啟）。

但是，遺憾的是我們沒有RDS（開啟）用于此處的評估。它似乎不適用于上述情況，因為對于代表電阻的負(fù)載線的任何部分，必須以線性方式穿過原點。

也就是說，可以像非線性電阻一樣以聚合形式模擬負(fù)載線。

至少，這將保證對實際工作的任何理解在原點（0，0）得到維持。

柵極電荷曲線特性

正是柵極電荷曲線數(shù)據(jù)實際上為我們提供了有關(guān)MOSFET導(dǎo)通規(guī)格的真正提示，如下圖所示：

盡管上述曲線是所有MOSFET數(shù)據(jù)手冊的標(biāo)準(zhǔn)曲線，但MOSFET用戶很少理解基本指示。

此外，MOSFET布局（如溝槽和屏蔽柵極）的現(xiàn)代進(jìn)步要求修改數(shù)據(jù)尋址。

例如，名為“柵極電荷”的規(guī)范本身可能略有誤導(dǎo)。

曲線的線性和分割部分看起來不像對電容器充電的電壓，無論它可能表現(xiàn)出多少非線性值。

確切地說，柵極電荷曲線表示兩個非并聯(lián)電容器的相關(guān)數(shù)據(jù)，具有不同的幅度并承載不同的電壓電平。

理論上，MOSFET柵極端子的功能電容由以下公式定義：

C國際空間站= CGS+ CGD

其中 C國際空間站= 柵極電容，CGS= 柵極源極電容，CGD= 柵極漏極電容

盡管測量該單位并在數(shù)據(jù)表中指定似乎相當(dāng)簡單，但必須注意的是，術(shù)語C國際空間站實際上不是真正的電容。

認(rèn)為MOSFET僅通過施加在“柵極電容C”上的電壓導(dǎo)通可能是完全錯誤的。國際空間站“。

如上圖所示，在MOFET導(dǎo)通之前，柵極電容不帶電，但柵極漏極C處的電容不帶電GD具有需要消除的負(fù)電荷。

這兩種電容都具有非線性性質(zhì)，并且它們的值隨著施加電壓的變化而變化很大。

因此，需要注意的是，決定其開關(guān)特性的是MOSFET的存儲電荷，而不是特定電壓電平的電容值。

由于構(gòu)成C國際空間站具有不同的物理屬性，它們往往會以不同的電壓電平充電，要求MOSFET的導(dǎo)通過程也要經(jīng)歷兩個階段。

對于電阻和電感應(yīng)用，精確順序可能不同，但通常大多數(shù)實際負(fù)載都是高感性負(fù)載，可以如下圖所示模擬該過程：

柵極充電時序

MOSFET 的柵極電荷時序可以從下圖中研究：

可以通過以下解釋來理解：

T0 - T1： CGS從零到V 的電荷總務(wù)（千）.VDS或我DS不進(jìn)行任何更改。

T1-T2，MOSFET 中的電流開始上升，以響應(yīng)來自 V 的柵極電壓增加總務(wù)（千）高達(dá)平臺電壓V全科醫(yī)生。

在這里，IDS增加并從0 V達(dá)到滿載電流，盡管VDS保持不受影響且保持不變。伴電荷通過C的積分形成GS從 0 V 到 V全科醫(yī)生和

QGS在數(shù)據(jù)表中給出。

T2 - T3：觀察T2和T3之間的平坦區(qū)域，它被稱為米勒高原。

在開關(guān)接通之前，CGD充電并保持至電源電壓 V在，直到我DS在T2處達(dá)到峰值I（負(fù)載）。

周期T2和T3之間的時間，負(fù)電荷（V在， w全科醫(yī)生） 轉(zhuǎn)換為相對于平臺電壓 V 的正電荷全科醫(yī)生。

這也可以可視化為漏極電壓從V下降在幾乎為零。

所涉及的電荷等于大約 CGD從 0 到 V 的積分在，顯示為 QGD在數(shù)據(jù)表中。

在 T3 - T4 期間，柵極電壓從 V 爬升全科醫(yī)生到 V一般事務(wù)人員，在這里我們發(fā)現(xiàn) V 幾乎沒有任何變化DS和我DS，但有效的

RDS（開啟）隨著柵極電壓的升高而略有下降。在高于 V 的某個電壓電平下全科醫(yī)生，為制造商提供足夠的信心來固定有效 R 的上限D(zhuǎn)S（開啟）。

用于感性負(fù)載

MOSFET溝道中由于感性負(fù)載引起的電流上升需要在電壓開始下降之前完成。

在平臺開始時，MOSFET 處于關(guān)斷狀態(tài)，在漏極至源極兩端存在高電流和電壓的情況下。

在時間T2和T3之間，電荷QGD應(yīng)用于MOSFET的柵極，其中MOSFET特性在最后從恒流轉(zhuǎn)換為恒阻模式。

發(fā)生上述轉(zhuǎn)換時，柵極電壓V沒有明顯變化全科醫(yī)生發(fā)生。

這就是為什么將MOSFET導(dǎo)通過程與任何特定水平的柵極電壓相關(guān)聯(lián)絕不是一個明智的主意。

關(guān)斷過程可能也是如此，它要求以相反的順序從MOSFET的柵極消除相同的兩個電荷（如前所述）。

場效應(yīng)管開關(guān)速度

雖然QGS加 QGD共同確保 MOSFET 將完全導(dǎo)通，它不會告訴我們這將以多快的速度發(fā)生。

電流或電壓的切換速度取決于柵極電荷元件的施加或移除速率。這也稱為柵極驅(qū)動電流。

雖然快速上升和下降速率可確保MOSFET中的開關(guān)損耗更低，但這些損耗也可能引起與峰值電壓增加、振蕩和電磁干擾相關(guān)的系統(tǒng)級復(fù)雜問題，尤其是在感性負(fù)載的關(guān)斷時刻。

上述圖7所示的線性下降電壓設(shè)法取Cgd的恒定值，這在實際應(yīng)用中幾乎不會發(fā)生在MOSFET上。

準(zhǔn)確地說，柵極漏極電荷CGD對于高壓超結(jié)MOSFET，如SiHF35N60E表現(xiàn)出顯著的高線性響應(yīng)，如下圖所示：

存在于 C 值中的變異范圍.rss（反向轉(zhuǎn)換）在初始200

V內(nèi)大于1：100.因此，電壓相對于柵極電荷曲線的實際下降時間看起來更像圖7中紅色的虛線。

在較高的電壓下，電荷的上升和下降時間以及它們的等效dV/dt值更依賴于C的值.rss，而不是表示為 Q 的整條曲線的積分GD.

當(dāng)用戶想要比較不同設(shè)計環(huán)境中的MOSFET規(guī)格時，他們應(yīng)該意識到MOSFET的Q值只有一半GDVALUE不一定具有兩倍的開關(guān)速率快兩倍或開關(guān)損耗降低50%的特點。

這是因為，根據(jù)CGD曲線及其幅度 在較高電壓下，MOSFET很可能在數(shù)據(jù)手冊中具有低Qgd，但不會增加開關(guān)速度。

總結(jié)

在實際實現(xiàn)中，MOSFET的導(dǎo)通是通過一系列過程實現(xiàn)的，而不是通過預(yù)定的參數(shù)進(jìn)行的。

電路設(shè)計人員必須停止想象V總務(wù)（千），或者電壓電平可用作柵極電壓，用于將 MOSFET 輸出從高 R 切換到低 RDS（開啟）。

考慮擁有R可能是徒勞的DS（開啟）低于或高于特定的柵極電壓電平，因為柵極電壓電平本質(zhì)上并不決定 MOSFET 的導(dǎo)通。而是收費QGS和

QGD引入執(zhí)行作業(yè)的 MOSFET。

您可能會發(fā)現(xiàn)柵極電壓上升到V以上總務(wù)（千）和 V全科醫(yī)生在充電/放電過程中，但這些并不那么重要。

同樣，今天的MOSFET打開或關(guān)閉的速度可能是Q的復(fù)雜函數(shù)GS或 QGD.

為了評估 MOSFET 開關(guān)速度，尤其是先進(jìn)的 MOSFET，設(shè)計人員必須對器件的柵極電荷曲線和電容特性進(jìn)行全面研究。