MOSFET漏极导通特性与开关过程简析
本文就mosfet的开关过程进行相关介绍与分析，帮助理解学习工作过程中的相关内容。首先简单介绍常规的基于栅极电荷的特性，理解mosfet的开通和关断的过程，然后从漏极导通特性、也就是放大特性曲线，来理解其开通关断的过程，以及mosfet在开关过程中所处的状态。
1、mosfet开通和关断过程
mosfet的寄生参数示意图如图1所示，开通过程如图2所示。
图1 功率mosfet的开关模型
t0时刻前，mosfet工作于截止状态， t0时，mosfet被驱动开通；
[t0-t1] 区间，mosfet的gs电压经vdrive对ciss充电而上升，在t1时刻，到达维持电压vth，mosfet 开始导电。vgs上升到vth之前漏极电流id≈0a，同时vds的电压保持vdd不变。
[t1-t2] 区间，mosfet的ds电流id增加，vds仍然保持vdd，vgs上升到米勒平台电压，id电流也上升到负载电流最大值id(max)，vds电压开始从vdd下降。
[t2-t3] 区间，t2时刻，mosfet工作在饱和区，vgs保持不变， 此期间，cgs不再消耗电荷，vdd开始给cgd提供放电电流。
[t3-t4] 区间，至t3时刻， mosfet的vds降至饱和导通时的电压vds= id(max) × rds(on)， 米勒电容cgd变小并和gs电容cgs一起由外部驱动电压充电， cgs的电压上升，至t4 时刻vgs=vdd为止，此时gs电容电压已达稳态，mosfet完成导通过程。
图2 功率mosfet的开通过程波形示意图
功率mosfet的关断过程与开通过程相反，如图3所示。
图3 功率mosfet的关断过程波形示意图
在米勒平台区，驱动电路仍然对栅极提供驱动电流、仍然对栅极电容充电，为什么栅极的电压不上升？下面将基于漏极导通特性分析mosfet开通过程，解释米勒平台区，栅极电压不上升。
2、 **mosfet漏极导通特性与开关过程 **
mosfet的漏极导通特性如图4所示，mosfet与三极管一样，当mosfet应用于放大电路时，通常要使用此曲线研究其放大特性。只是三极管使用的基极电流、集电极电流和放大倍数，而mosfet管使用栅极电压、漏极电流和跨导。根据功率mosfet输出特征，工作区也可以分为三个区：关断区、线性区(恒流区)和可变电阻区。
图4 mosfet典型的漏极导通特性
当驱动开通脉冲加到mosfet的g和s极时，vgs的电压逐渐升高时，mosfet的开通轨迹a-b-c-d见图5的路线所示。
图5：功率mosfet的开通轨迹
(1) 截止区
开通前mosfet起始工作点位于图5的右下角a点以下，vgs的电压逐渐升高，id电流为0，vgs的电压从0上升到vth，id电流从0开始逐渐增大。
(2) 恒流区（线性区）
动态恒流区（线性区）就是图中的a-b，也就是vgs电压从vth增加到米勒平台电压vgs(pl)的区间，从这个过程可以非常直观的发现：mosfet工作在恒流区，因为vgs的电压在变化，这个过程是一个动态恒流的过程，也就是vgs电压和id电流自动找平衡的动态过程。vgs电压的变化伴随着id电流相应的变化，其变化关系就是mosfet的跨导gfs：
在这个过程中，vgs电压保持不变（a-b垂直横轴），vgd的电压为vgs-vds，为负压，就是d的电压高于g。当id电流达到负载的最大允许电流id(max)时，也就是图3中的b点，mosfet进入下一个工作区：米勒平台区。
(3) 米勒平台区
从b点开始，vds开始下降，vgd负电压绝对值也开始下降，只要d极电压开始变化，就会产生非常大的dv/dt，通过电容crss，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crss（cgd），以扫除crss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b-c内维持一个平台电压，这就是米勒平台区。
在这个工作区，栅级对应的米勒平台电压，由系统的最大电流id(max)和mosfet的vth、跨导来决定，满足上面的公式。
随着vds电压不断的降低，vgd的电压绝对值也不断的降低，在b-c的中间某一时刻，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，即图3中的c点，vds的电压不再变化，而且crss电压也正向增加到米勒平台电压。
从图5可以看到，在米勒平台区，vgs电压不是绝对的保持不变，而是应该有非常小、非常小的上升幅度，这样的幅度可以忽略，因此基本上认定其电压保持不变，mosfet在一段稳定的时间内，处于相对稳定的恒流区，工作于放大状态。
(4) 可变电阻区
图5中c-d区为可变电阻区，此时cgs、cgd电压相等都为米勒平台电压，vds电压不再变化，那么cgd就不再有dv/dt产生的抽取电流，因此驱动电路又开始对ciss充电，vgs电压从米勒平台电压开始增加，直到达到驱动电压的最大值。这个过程中，mosfet导通压降稍有降低，降低到最小值，基本上变化不大，导通压降为漏极电流id和导通电阻rds(on)的乘积，这也是完全导通区。
结语
对于功率mosfet的开通关断的理解，有助于合理的功率mosfet的驱动设计，以及开关损耗的理解和计算，帮助设计更优质的电源产品。
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1、mosfet开通和关断过程
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图1 功率mosfet的开关模型
t0时刻前，mosfet工作于截止状态， t0时，mosfet被驱动开通；
[t0-t1] 区间，mosfet的gs电压经vdrive对ciss充电而上升，在t1时刻，到达维持电压vth，mosfet 开始导电。vgs上升到vth之前漏极电流id≈0a，同时vds的电压保持vdd不变。
[t1-t2] 区间，mosfet的ds电流id增加，vds仍然保持vdd，vgs上升到米勒平台电压，id电流也上升到负载电流最大值id(max)，vds电压开始从vdd下降。
[t2-t3] 区间，t2时刻，mosfet工作在饱和区，vgs保持不变， 此期间，cgs不再消耗电荷，vdd开始给cgd提供放电电流。
[t3-t4] 区间，至t3时刻， mosfet的vds降至饱和导通时的电压vds= id(max) × rds(on)， 米勒电容cgd变小并和gs电容cgs一起由外部驱动电压充电， cgs的电压上升，至t4 时刻vgs=vdd为止，此时gs电容电压已达稳态，mosfet完成导通过程。
图2 功率mosfet的开通过程波形示意图
功率mosfet的关断过程与开通过程相反，如图3所示。
图3 功率mosfet的关断过程波形示意图
在米勒平台区，驱动电路仍然对栅极提供驱动电流、仍然对栅极电容充电，为什么栅极的电压不上升？下面将基于漏极导通特性分析mosfet开通过程，解释米勒平台区，栅极电压不上升。
2、 **mosfet漏极导通特性与开关过程 **
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图4 mosfet典型的漏极导通特性
当驱动开通脉冲加到mosfet的g和s极时，vgs的电压逐渐升高时，mosfet的开通轨迹a-b-c-d见图5的路线所示。
图5：功率mosfet的开通轨迹
(1) 截止区
开通前mosfet起始工作点位于图5的右下角a点以下，vgs的电压逐渐升高，id电流为0，vgs的电压从0上升到vth，id电流从0开始逐渐增大。
(2) 恒流区（线性区）
动态恒流区（线性区）就是图中的a-b，也就是vgs电压从vth增加到米勒平台电压vgs(pl)的区间，从这个过程可以非常直观的发现：mosfet工作在恒流区，因为vgs的电压在变化，这个过程是一个动态恒流的过程，也就是vgs电压和id电流自动找平衡的动态过程。vgs电压的变化伴随着id电流相应的变化，其变化关系就是mosfet的跨导gfs：
在这个过程中，vgs电压保持不变（a-b垂直横轴），vgd的电压为vgs-vds，为负压，就是d的电压高于g。当id电流达到负载的最大允许电流id(max)时，也就是图3中的b点，mosfet进入下一个工作区：米勒平台区。
(3) 米勒平台区
从b点开始，vds开始下降，vgd负电压绝对值也开始下降，只要d极电压开始变化，就会产生非常大的dv/dt，通过电容crss，产生的电流为：
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从图5可以看到，在米勒平台区，vgs电压不是绝对的保持不变，而是应该有非常小、非常小的上升幅度，这样的幅度可以忽略，因此基本上认定其电压保持不变，mosfet在一段稳定的时间内，处于相对稳定的恒流区，工作于放大状态。
(4) 可变电阻区
图5中c-d区为可变电阻区，此时cgs、cgd电压相等都为米勒平台电压，vds电压不再变化，那么cgd就不再有dv/dt产生的抽取电流，因此驱动电路又开始对ciss充电，vgs电压从米勒平台电压开始增加，直到达到驱动电压的最大值。这个过程中，mosfet导通压降稍有降低，降低到最小值，基本上变化不大，导通压降为漏极电流id和导通电阻rds(on)的乘积，这也是完全导通区。
结语
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