图解MOS管通断过程
衡丽 2023-06-08

MOS管作为开关元件,同样可以工作在截止和导通状态,由于MOS管是电压控制元件,所以主要由栅极和源极间的电压来决定导通与否。Vgs用来控制沟道的导电性’从而控制漏极电流ID。(原理类似电流控制元件三极管)。关于MOS管的基本原理和结构本文不再赘述,大家自行百度。


以N沟道MOS管为例,Vt是其导通为阀值电压:

  • 当Vgs<Vt时,源级漏级之间隔着P区,漏结反偏,故无漏级电流,Mos管不导通;

  • 当Vgs>Vt时,栅极下的P型硅表面发生强反型,形成连通源区和漏区的N型沟道产生漏级电流ID,Mos管导通。

  • 对于恒定Vds,Vgs越大,则沟道中可移动的电子越多,沟道电阻就越小,ID就越大。当然这个Vgs大到一定值,电压再大,ID的变化也不会再有太大的变化了。(这个和三极管的Ic变化是类似的道理)

  • Mos管是有增强型和耗尽型之分的:

Vt>0时,称为增强型,为常关型,零栅压时无导电沟道。

Vt<0时,称为耗尽型,为常开型,零栅压时有导电沟道。


MOS管的通断过程


1、Mos管的寄生电容

Mos管的漏、源、栅极间都有寄生电容,分别为Cds、Cgd、Cgs。

Cds=Coss (输出电容);

Cgd+Cgs=Ciss (输入电容);

2、Mos管的开关过程

下面以MOS管开关过程中栅极电荷特性图进行讲解,

VTH:开启阀值电压;

VGP:米勒平台电压;

VCC:驱动电路的电源电压;

VDD:MOSFET关断时D和S极间施加的电压

  • t1阶段:当驱动开通脉冲加到MOSFET的G极和S极时,输入电容Ciss充电直到FET开启为止,开启时有Vgs=Vth,栅极电压达到Vth前,MOSFET一直处于关断状状态,只有很小的电流流过MOSFET,Vds的电压Vdd保持不变。

  • t2阶段:当Vgs到达Vth时,漏极开始流过电流ID,然后Vgs继续上升,ID也逐渐上升,Vds保持Vdd不变,当Vds到达米勒平台电压Vgp时, ID也上升到负载电流最大值ID,Vds的电压开始从Vdd下降。

  • t3阶段:米勒平台期间,ID继续维持ID不变,Vds电压不断的降低,米勒平台结束时刻,iD电流仍维持ID,Vds电压降到—个较低的值。米勒平台的高度受负载电流的影响,负载电流越大,则ID到达此电流的时间就越长,从而导致更高的Vgp。

  • t4阶段:米勒平台结束后, iD电流仍维持ID,Vgs电压继续降低,但此时降低的斜率很小,因此降低的幅度也很小,最后稳定在Vds=Id×Rds(on) , 因此通常可以认为米勒平台结束后MOSFET基本上已经导通。所以为了减少开通损耗,一般要尽可能减少米勒平台的时间。

  • t1和t2阶段,因为Cgs>>Cgd ,所以驱动电流主要是为Cgs充电(QGS)。t3阶段,因为Vds从Vds开始下降,Cgd放电,米勒电流igd分流了绝大部分的驱动电流(QGD),使得MOSFET的栅极电压基本维持不变。t4阶段,驱动电流主要是为Cgs充电(Qs)。


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