了解MOSFET的开机过程

正确计算的MOSFET通断过程确保设备以最佳效率接通。

在设计基于MOSFET的电路时，你可能想知道打开MOSFET的正确方法是什么?或者简单地说，什么是最小电压，应该施加在门/源的设备上，以完美地打开它?

虽然对于许多数字系统来说，这可能不是问题，但5V系统，如dsp、fpga和Arduinos需要提高产出为连接的MOSFET提供最佳开关条件。

在这些情况下，设计师开始查看MOSFET的规格，以获得阈值电压数据。设计者假设MOSFET将打开和改变状态时，这个阈值水平被越过。

然而，这可能并不像看起来那么简单。

什么是阈值电压V_{GS (th)}

首先，我们必须认识到阈值电压，用V表示_{GS (th)}不是电路设计者需要担心的。

准确地说，是栅极电压导致MOSFET的漏极电流超过250 μA的阈值水平，这是在实际应用中可能永远不会发生的条件下进行的测试。

在一定的分析过程中，使用一个恒定的5V对设备进行上述测试。但这种测试通常是通过栅极和器件的漏极相互连接或短路来实现的。您可以很容易地在数据表中获得这些信息，所以这个测试没有什么神秘的。

上表显示了阈值水平和相关测试条件的一个例子MOSFET。

对于期望的应用，设计者可能会担心一个可怕的情况称为“感应”栅电压，这可能是一个严重的问题，例如在低侧MOSFET同步降压转换器．

正如前面所讨论的，在这里我们也必须理解越过阈值V_{GS (th)}水平可能不会迫使设备进入击穿状态。这个水平实际上告诉设计师关于阈值，在那里的MOSFET刚刚开始打开，并不是一种情况，事情只是完全结束。

当MOSFET处于关断状态时，栅极电压保持在V以下可能是明智的_{GS (th)}电平，防止电流泄漏。但是当打开它时，这个参数可能被简单地忽略。

传输特性曲线

你会发现另一个曲线图传输特性在MOSFET数据表中解释了其在响应栅电压增加时的开启行为。

更准确地说，这可能更多地与栅电压和器件外壳温度的电流变化分析有关。在这个分析中，V_DS保持在一个固定的水平，但高水平，大约15V，这可能不会透露在数据表规格。

如果我们参考上面所示的曲线，我们意识到对于20安培漏极电流，3.2 V的门源电压可能是不够的。

这种组合将导致VDS为10 V，通常耗散为200瓦。

传输曲线数据对线性范围内的mosfet是有用的，但是曲线数据对mosfet在开关应用中的意义可能较小。

输出特性

输出曲线显示了场效应晶体管全开状态下的实际数据，如下图所示:

这里是V的不同层次_GSMOSFET的正向降被测量为电流的函数。设备工程师使用此曲线数据来确定最佳栅极电压水平。

对于每一级栅极电压，以确保全开关的场效应晶体管[R_DS(上)，我们得到一个电压降的范围(V_GS)与漏极电流具有严格的线性响应。取值范围从零到零。

对于较低的栅极电压(V_GS)，当漏极电流增加时，我们发现曲线失去线性响应，通过“膝盖”移动，然后平坦。

上面的详细曲线为我们提供了从2.5 V到3.6 V的栅极电压范围的完整输出特性。

MOSFET用户通常认为这是线性函数。然而，相比之下，器件工程师可能更倾向于关注图中的灰色区域，该区域表示栅极电压施加时的电流饱和区域。

它揭示了当前已触及饱和点或饱和极限的数据。此时，如果V_DS是增加将导致电流的边际增加，但漏极电流的微小增加可能导致更大的V_DS．

对于增加的栅极电压水平，使MOSFET完全打开，绿色阴影区域将向我们显示过程的工作点，表示为电阻(或欧姆)区域。

请注意，这里的曲线只显示典型值，不包括任何最小或最大边界。

当在较低的环境温度下工作时，器件将需要较高的栅极电压以保持在电阻区，该栅极电压可能以0.3% /℃的速率上升。

什么是MOSFET RDS(on)

当器件工程师不得不面对MOSFET的输出特性时，他们本质上将想要了解R_DS(上)设备的具体操作条件。

一般来说，这可以是V的混合_GS和我_DS穿过曲线偏离直线的区域，进入灰色阴影表示的部分。

考虑上面讨论的例子，3.1 V的栅极电压和10安培的初始电流，工程师将知道R_DS(上)将倾向于大于估计值。说到这里，我们是否期望MOSFET制造商提供一个关于这方面的近似数据?

两个量都是V_DS和我_DS在曲线上容易得到的量，在合成的R处除以这两个量，就太容易使人迷惑，常常使人屈服_DS(上)．

然而，遗憾的是，我们没有R_DS(上)在这里进行评估。这似乎是不可为提到的情况，因为任何部分载重线表示一个电阻必须以线性方式穿过原点。

也就是说，它可能模拟的负荷线在一个聚集形式，如非线性阻力。

至少，这将保证对实际工作的任何理解在原点(0,0)是持续的。

栅极电荷曲线特性

这是门电荷曲线数据，实际上给了我们一个真正的提示，关于开关规格的MOSFET如下图所示:

虽然上面的曲线是所有MOSFET数据表的标准包含，潜在的指示很少被MOSFET用户理解。

此外，MOSFET布局的现代进步，如沟槽和屏蔽门，要求对数据的订正地址。

例如，命名为“门电荷”的规范本身可能会产生轻微的误导。

曲线的线性和分割部分不像充电电容器的电压，无论它可能表现出多少非线性值。

准确地说，栅极电荷曲线表示两个非并联电容器的相关数据，它们具有不同的大小和承载不同的电压水平。

理论上，由MOSFET栅端观测到的功能电容定义为:

C_{国际空间站}= C_gs+ C_gd

其中C_{国际空间站}栅极电容，C_gs=栅源电容，C_gd栅极漏极电容

尽管测量这个单位并在数据表中指定看起来相当简单，但必须注意术语C_{国际空间站}实际上不是一个真正的电容。

认为MOSFET仅仅通过施加在“栅极电容C”上的电压而开启，这可能是完全错误的_{国际空间站}"．

如上图所示，就在MOFET开启之前，栅极电容没有电荷，但栅极漏极C处的电容没有电荷_gd具有需要消除的负电荷。

这两种电容都是非线性的，它们的值在很大程度上随施加电压的变化而变化。

因此，重要的是要注意，是MOSFET的存储电荷决定了它的开关特性，而不是特定电压水平的电容值。

由于构成C的两个电容元件_{国际空间站}具有不同的物理属性，它们往往会以不同的电压水平充电，这就要求MOSFET的打开过程也要经过两个阶段。

对于电阻性和感性的应用，精确的顺序可能是不同的，但通常大多数实际负载是高度感性的，这个过程可以模拟如下图所示:

栅极电荷时序

MOSFET的栅电荷时序可以从下图中研究:

可以用以下解释来理解:

1. T0 - t1_gs电荷从0到V_{GS (th)}．V_DS或者我_DS不会发生任何变化。
2. T1-T2，场效应管中的电流开始上升，响应从V增加栅极电压_{GS (th)}直到平台电压V_全科医生．
3. 在这里，IDS增加并从0 V达到满载电流，尽管V_DS不受影响且不变。伴随电荷是通过对C积分形成的_gs从0v到V_全科医生,问_gs在数据表中给出。
4. T2 - T3:观察T2与T3之间的平坦区域，它被称为米勒高原。
5. 开关ON前，C_gd充电并保持电源电压V_在,直到我_DS在T2处达到峰值I(负载)。
6. T2和T3之间的时间，负电荷(V_在- - - - - - V_全科医生)相对于平台电压V转换为正电荷_全科医生．
7. 这也可以看作是漏极电压从V的下降_在几乎为零。
8. 碳周围的电荷是相等的_gd从0到V的积分_在，如Q所示_gd在数据表中。
9. 在T3 - T4期间，栅极电压由V上升_全科医生到V_GS，这里我们发现V几乎没有变化_DS和我_DS，但有效的R_DS(上)随栅极电压升高而略有下降。当电压高于V时_全科医生，提供制造商足够的信心来确定有效R的上限_DS(上)．

对电感负载

由于电感负载，MOSFET通道中电流的上升需要在电压开始下降之前完成。

在平台的开始，MOSFET处于OFF状态，存在着从漏极到源极的高电流和电压。

在T2和T3之间，电荷Q_gd应用于MOSFET的栅极，其中MOSFET的特性在末端从恒流模式转变为恒阻模式。

当发生上述过渡时，栅极电压V无明显变化_全科医生发生。

这就是为什么将场效应晶体管的开启过程与任何特定水平的栅极电压联系起来从来都不是一个明智的想法。

同样的道理也适用于开关OFF过程，它要求以相反的顺序从MOSFET的栅极中消除相同的两个电荷(前面讨论过)。

MOSFET开关速度

尽管问_gs加上问_gd一起确保MOSFET将完全打开，它没有告诉我们这将发生的多快。

电流或电压切换的快慢是由栅极电荷元件施加或去除的速率决定的。这也称为栅驱动电流。

尽管快速的上升和下降速率确保了mosfet中较低的开关损耗，但这也可能会引起与峰值电压增加、振荡和电磁干扰相关的系统级并发症，特别是在电感负载的关闭瞬间。

上图7所示的线性下降电压设法使Cgd的值保持不变，这在实际应用中可能很难发生在mosfet上。

准确地说，门漏电荷C_gd对于高电压超级结MOSFET，如SiHF35N60E，表现出显著的高线性响应，如下图所示:

C值存在的变化范围_rss(反向传输)在初始100v范围内大于200:1。因此，电压相对于栅极电荷曲线的实际下降时间更像图7中红色虚线所示。

在较高的电压下，电荷的上升和下降时间以及它们的等效dV/dt值更依赖于C的值_rss，而不是整条曲线的积分表示为Q_gd．

当用户想要在不同的设计环境下比较MOSFET的规格时，他们应该意识到MOSFET只有一半Q_gd价值不一定具有两倍的开关速度，或减少50%的开关损耗。

这是因为，根据C_gd曲线和它的幅值在更高的电压下，对于MOSFET在数据表中有一个低的Qgd是很有可能的，但没有任何增加开关速度。

总结

在实际实现中，MOSFET的开启是通过一系列的过程进行的，而不是通过一个预定的参数。

电路设计者必须停止想象V_{GS (th)}，或电压水平可用作栅极电压，用于将MOSFET输出从高R切换到低R_DS(上)．

想要拥有R可能是徒劳的_DS(上)低于或高于一个特定的栅极电压水平，因为栅极电压水平并不能本质上决定MOSFET的通断。而是电荷Q_gs和问_gd引入到MOSFET中来执行这项工作。

你会发现栅极电压上升到V以上_{GS (th)}和V_全科医生在充放电过程中但这些不是很重要。

同样，今天MOSFET的开关速度是Q的一个复杂功能_gs或问_gd．

为了评价MOSFET的开关速度，特别是先进的MOSFET，设计者必须对器件的栅极电荷曲线和电容特性进行全面的研究。

参考:https://www.vishay.com/