MOSFET开启的瞬态过程与应对方法分析_曹卓.pdf

12 电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月Electronics 电子学摘要：阐述MOSFET开启时栅极各个阶段的瞬态过程，MOSFET器件开启过程中栅极每个阶段特定波形的形成原因，从原理上分析了在开启时，栅极的上升台阶在实际应用中带来的问题和危害和规避方法。关键词：MOSFET，上升台阶，寄生电容。中图分类号：TN386文章编号：1000-0755(2023)02-0012-02文献引用格式：曹卓.MOSFET开启的瞬态过程与应对方法分析J.电子技术,2023,52(02):12-13.（2）MOSFET开启电压Vgs第二阶段（如图1中Vgs的第2阶段t2）：此时Vgs开始大于MOSFET的开启电压Vgs(th)，Vin持续给栅源极寄生电容充电Cgs充电，MOSFET开始渐渐进入导通状态，MOSFET内部的自由电子开始向栅极流动，Id开始逐渐增大，当到达第2段与3段的临界点时，MOSFET漏极和源极的电压Vds最大，MOSFET的自身损耗等于Pd=VdsId,这个瞬时状态是MOSFET自身的损耗是最大的状态，但MOSFET还没有真正意义的导通，MOSFET漏源极电压Vds即将开始有减小的趋势，可以简单理解成水龙头即将被拧开的瞬态。（3）MOSFET开启电压Vgs第三阶段（如图1中Vgs的第3阶段t3）：MOSFET内部的自由电子开始增多了，MOSFET开始导通，漏源极电压Vds开始下降，这时候由于Vds电压减小，图2中D点电压开始减小，这里再次强调文中所描述的过程，都是瞬态的过程，D点电压减小，随之伴随着栅极与漏0 引言MOSFET器件是在电子产品中广泛应用的元器件，它的主要优点是：栅极输入阻抗大，开启时所需要的驱动电流很小，几乎为零，所以启动MOSFET开启和关断多需要的功率极小。它是电压控制型器件，在芯片内部端口处和DC-DC电源，以及大功率驱动等场合中广泛应用。1 N沟道MOSFET开启时栅极电压上升台阶的产生在理想状态条件下：N沟道MOSFET开启的条件是:MOSFET本身栅极和源极间的电压Vgs大于阈值Vgs(th)。满足此条件后，N沟道MOSFET的漏极和源极之间的电压Vds趋于0V，MOSFET导通，MOSFET内部开始有电流Id流动。但在现实应用中，Vgs在通往开启阈值Vgs(th)的过程中，并不是瞬态从高到低，而是存在一个相对较长的平台期（如图1所示）。由于MOSFET本身的生产工艺原因，任何MOSFET的栅极和源极之间，栅极和漏极之间，漏极和源极之间存在寄生电容。正规厂商生产的MOSFET元器件，都会在规格书中标明MOSFET各个极之间的寄生电容。所以，MOSFET在电路中的等效电路如图2。（1）MOSFET开启电压Vgs第一阶段（如图1中Vgs的第1阶段t1）：此时栅源极电压Vgs小于MOSFET开启电压Vgs(th)，Vin给栅源极寄生电容Cgs充电(如图2)，Vgs上升波形的斜率，就是Vin给寄生电容Cgs充电导致的。此时：MOSFET处于关闭状态，MOSFET内部电流Id等于零。MOSFET开启的瞬态过程与应对方法分析曹卓（大连电子学校，辽宁 116023）Abstract This paper describes the transient process of each stage of the gate when the MOSFET is turned on,and the cause of the formation of the specific waveform of each stage of the gate during the MOSFET device is turned on.The problems,hazards and avoidance methods brought by the rising step of the gate in the practical application are analyzed in principle.Index Terms MOSFET,rising step,parasitic capacitance.Analysis on the Transient Process of MOSFET Switching on and Its CountermeasuresCAO Zhuo(Dalian Electronic School,Liaoning 116023,China.)作者简介：曹卓，大连电子学校，高级讲师，硕士；研究方向：电子技术教学。收稿日期：2022-04-28；修回日期：2023-02-12。图1 MOSFET开启电压Vgs的上升曲线 图2 MOSFET在电路中的等效电路 电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月 13Electronics 电子学极间的寄生电容Cgd两端就会有一个压降，此时就会有一部分电流，给Cgd充电。而整个MOSFET的栅极驱动能量源，仅能由图2中的Vin提供，所以Vgs的电压上升能量被吸收走了，Vgs不再上升，电压恒定不变，能量给了Cgd充电。当Cgd充电完成后，Vgs上升的平台期结束，与此同时MOSFET导通，Vds=0。上述这个过程，就是MOSFET开启的台阶，这个台阶是早在1919年科学家米勒发现的，所以称为米勒效应，寄生电容Cgd称为米勒电容。这个寄生电容越大，所需要充电的时间就越长，MOSFET自身的损耗(Pd=Vds*Id)就会越大，自身损耗必然通过热形成传递出去，就会导致器件发热、性能恶化，严重情况会烧毁MOSFET。对于设计者来说，MOSFET的自身损耗问题是设计MOSFET电路需要应对的主要工作。（4）MOSFET开启电压Vgs第三阶段（如图1中Vgs的第4阶段t4）：Vgs持续上升，达到了输入电压Vin这个幅值，MOSFET内部Id不会持续增高，此时Id就仅与电路参数关系，MOSFET漏源极电压Vds=0.MOSFET进入了稳定状态，此时由于Vds(MOSFET只身压降)等于0V，MOS自身损耗也几乎为0，若MOSFET在电路中，每次系统上电仅开启一次或不是频繁开关，不用太担心MOSFET的只身损耗，因为整个MOSFET的开启动作都是瞬态的过程，自身的热损耗通常都容易处理，但MOSFET通常用在高频率的开关电源中，他本身就工作在开和关的往复动作中，此时MOS关的热损耗就会持续产生，不断地产生热量，这也是本文所要阐述的关键问题。2 设计中的应对措施开启时栅极电压上升台阶给电路设计带来的主要问题及解决方法。MOSFET开启时的台阶，带来的能量损耗问题，使它的工作效率降低。因为MOSFET的自身损耗：Pd=VdsId，而在MOSFET开启的第二和第三阶段是电流Id和漏源极电压Vds共同存在（如图1所示），所以因为台阶的存在，MOSFET会在两个阶段存在损耗，这会引起MOSFET本身发热，严重的时候会使MOSFET烧毁。MOSFET的米勒台阶是无法完全避免的。（1）大功率场景，例如大功率开关电源中的MOSFET，通常都背着大散热片，就是为了解决,MOS光开启时，带来的开关损耗。防止MOSFET过热，引起器件烧毁。（2）由于MOSFET的寄生电容是不可能消失的，在条件允许的范围内，选寄生电容尽可能小的MOSFET。随着生产工艺的不断进步，MOSFET本身的寄生电容也越来越小。下图是MOSFET规格书中，关于寄生电容的参数描述。（3）在实际电路设计应用中，PCB走线同样也会存在寄生电容，PCB走线带来的寄生电容会与MOS本身的寄生电容并联，使MOSFET开启时间变长，所以在PCB板绘制过程中，要把MOSFET栅极的走线越短越好，降低走所线带来的寄生电容，如图3。（4）MOSFET的开关台阶，本质上是由于寄生电容的充电产生的，因此缩短充电电容的充电时间，就可以缩短米勒台阶的时间，进而降低了米勒台阶带来的能力损耗问题。提高Vgs电压，是加快电容的充电时间的一种重要手段，因此在Vgs的耐压值允许的范围内，应该尽量提升Vgs的电压，这样能有效缩短MOSFET开关时间。（5）在高速开关电路中，MOSFET栅极通常都要串联电阻，起到了了满足阻抗匹配和抑制EMC空间辐射两个作用，这个电阻越大，充电电流就越小，所以适当减小MOSFET栅极串联的电阻，也能有效改善MOSFET自身损耗的问题。如图4中的实际案例，已经把串联电阻改成了最小值。3 结语本文详细阐述MOSFET开启的过程，使广大设计人员透彻地了解MOSFET开启时的各个阶段的原理和形式、分析MOSFET开启台阶产生的原理和原因、并从原理上明确MOSFET开启台阶带来的危害，最后从根源上提出减小台阶的本质方法，为广大设计人员提供了MOSFET应用电路的设计思路。参考文献1秦海鸿,张英,朱梓悦,王丹,付大丰,赵朝会.寄生电容对SiCMOSFET开关特性的影响J.中国科技论文,2017,12(23):2708-2714.2 范春丽,余成龙,龙觉敏,赵朝会.寄生参数对SiCMOSFET开关特性的影响J.上海电机学院学报,2015,18(04):191-200.3李先允,卢乙,倪喜军,王书征,张宇,唐昕杰.一种改进SiC MOSFET开关性能的有源驱动电路J.中国电机工程学报,2020,40(18):5760-5770.4刘松.再谈米勒平台和线性区:为什么传统计算公式对超结MOSFET开关损耗无效J.今日电子,2018(05):38-40.图3 PCB短走线降低寄生电容图4 改善MOSFET自身损耗的实际应用电路