新人必看 功率器件MOSFET开关过程大揭秘

功率器件MOSFET作为一种在开关电源新产品研发过程中不可或缺的重要元件，历来是新人工程师开始接触电源设计时的学习重点之一，而弄清楚MOSFET的导通和关断过程则是重中之重。本文将会就功率MOSFET的导通和关断过程进行详细分析和总结。

想要弄清楚MOSFET的导通和关断过程，首先需要做的一个步骤就是建立一个基础的MOSFET电路模型。本文所建立的MOSFET开关模型，主要体现的是低导通值MOSFET寄生参数：G、D、S间的电容，CGS，CGD，CDS用于分析驱动过程；DS间的寄生三极管，分析漏极扰动对MOSFET的影响：一是内部三极管导通而雪崩，二是CGD耦合引起门极电位上升，使MOSFET误导通。

在本文所建立的这一MOSFET参考模型中，模型内所描述的体内寄生三极管中还特别包含一个重要的寄生器件，体二极管。体二极管是MOSFET制成工艺中产生的不可避免的副产品，它和普通的PN结型二极管一样有难以克服的反向恢复时间tf。在高速同步整流应用中，tf直接影响开关管的性能和损耗。

图1 MOSFET开关模型

MOSFET导通过程

首先来看功率器件MOSFET的导通过程，在本文所建立的这一开关模型中执行到铜操作，此时PWM高电平信号经过功率放大转换，对门极充电。一路电流是为CGS充电，电流经过源极，负载回到地。另一路是为CGD充电。CGS上的电位逐渐上升，充满到达门极开启电压时，DS沟道间开始出现电流，第一阶段结束，如图2所示的1，2时间段。第二阶段主要对电容CGD充电，VDS电压开始下降，门极电压不再上升，CGD表现为米勒电容，容量放大接近20倍，这阶段沟道电流和电压同时存在也是开关损耗的时期，如图2所示的第3时间段。

当MOSFET器件内的门极电压被建立起来后，此时器件内部的VDS电压将会下降到最小值，由于MOSFET的控制电子与沟道电流完全隔离，一旦MOSFET开启后，门极只流过纳安级的电流，驱动电流可以忽略。

图2 MOSFET导通波形图

下面我们以这一MOSFET的导通过程为例，具体分析一下当这一器件在开关频率为250KHz条件下时，其门极电压从0v上升到10v在tr时间内的所需的平均电流。在这一条件下，选用AOD436，则N-MOSFET13mOhm@Vgs=4.5V，设计要求驱动时间tr为15ns，则充满CGS所需电流I1为该时间电容电压变化的微分，此时有公式为：

当输入电流完成对功率器件CGD电容的充电后，此时漏极导通，则电容D、S间的电压由供电电压VIN下降到导通压降。认为导通压降VDS足够小，这样CDS两端的压降为VIN+VGS，此时有公式：

通过对上文中所提供的驱动电流公式进行计算，我们可以得出结论，此时总的驱动电流Ig=IGS+IGD。尽管门极输入电流可达5-8A，但持续时间只有15ns，这就要求驱动电路在开启MOSFET时有足够的电荷释放能力。同样关断MOSFET时，门极上的电荷要快速泄放，除了有放电回路外，驱动电路还有吸电流能力，保证MOSFET快速关断，减少开关损耗。

MOSFET关断过程

在了解了功率器件MOSFET的导通过程后，其关断过程的分析就显得相对容易了一些。当这一器件被执行关断操作时，此时器件中的门极电容放电，电压下降至米勒平台时，VDS电压上升到输入电压。门极电压降到开启电压时，沟道电流消失，关断结束。

在执行关断操作的过程中，由于MOSFET的门极电荷需要在短时间内放空，因此驱动电路不仅要提供放电回路，还需要具备快速吸电流能力。门极的电容电荷累积极易造成静电损坏，快速放电回路也是保证开关管安全的重要措施。但是VDS快速关断带来的负面影响是漏极di/dt引起的电压尖峰，正如前面分析的它可能带来门极的误导通和MOSFET内部寄生三极管导通而失效。

图3 MOSFET关断时，漏极的振荡波形

以上就是本文针对功率器件MOSFET的导通和关断过程所进行的总结和分析，希望通过本文的分享，对各位新人工程师的学习带来一些帮助。