MOSFET的動(dòng)態(tài)性能相關(guān)參數(shù)

本篇是讀懂MOSFET datasheet系列最終篇，主要介紹MOSFET動(dòng)態(tài)性能相關(guān)的參數(shù)。 主要包括Qg、MOSFET的電容、開關(guān)時(shí)間等。 參數(shù)列表如下所示

1、柵極電荷 ( Qg )

柵極電荷是指為導(dǎo)通MOSFET而注入到柵極電極的電荷量，有時(shí)也稱為總柵極電荷。 總柵極電荷包括 Qgs 和 Qgd。 Q gs表示柵極-源的電荷量，Qgd 表示柵極-漏極的電荷量，也稱米勒電荷量。

單位為庫(kù)倫（C），總柵極電荷量越大，則導(dǎo)通MOSFET所需的電容充電時(shí)間變長(zhǎng)，開關(guān)損耗增加。 數(shù)值越小，開關(guān)損耗就越小，從而實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)。 換言之，柵極電荷也可以表示為器件轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)電流進(jìn)入選通端接的時(shí)間積分，此時(shí)開關(guān)損耗等于柵極電荷、柵電壓和頻率的乘積。

通常，MOSFET的芯片尺寸（表面積）越小，總電荷量就越小，但是導(dǎo)通電阻會(huì)變大，因此開關(guān)損耗與工作時(shí)的損耗之間存在一個(gè)平衡關(guān)系。

2、電容(Ciss, Coss, Crss)

Ciss, Coss, 和 Crss,跟柵極電荷一樣影響著開關(guān)性能。 MOSFET 作動(dòng)的過(guò)程，就是柵極電壓對(duì)源極、漏極電容充放電的過(guò)程。

Cgs：柵極和源極之間的等效電容。 實(shí)際上控制電壓輸出后，就開始給電容Cgs開始充電，GS電容充電過(guò)程分三個(gè)階段：

①上電瞬間電容等效成短路，GS電容的內(nèi)阻為0，幾乎所有的電流，都從電容上走；

②GS電容沒(méi)有充滿的情況下，電流分別從電阻及電容流過(guò)，但主要的電流依舊從電容走；

③ 電容充滿了，電流不從電容走，只有很小的電流從電阻走。

Cgd：柵極和漏極之間的等效電容。 這個(gè)電容也稱為米勒電容，臭名昭著的“米勒效應(yīng)”也因此產(chǎn)生。 米勒效應(yīng)，實(shí)際上是有一個(gè)固有的轉(zhuǎn)移特性：柵極的電壓Vgs和漏極的電流Id保持一個(gè)比例關(guān)系。

產(chǎn)生的問(wèn)題：因?yàn)槊桌针娙莸挠绊?，造成mos管不能很快的進(jìn)行開通和關(guān)斷，中間有一段延遲時(shí)間。 通過(guò)示波器測(cè)量VGS電壓波形，會(huì)發(fā)現(xiàn)VGS波形在上升期間有一段平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)又稱為米勒平臺(tái)。 （下圖加粗線表示）

米勒平臺(tái)大家首先想到的麻煩就是米勒振蕩。 （即，柵極先給Cgs充電，到達(dá)一定平臺(tái)后再給Cgd充電）因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候源級(jí)和漏級(jí)間電壓迅速變化，內(nèi)部電容相應(yīng)迅速充放電，這些電流脈沖會(huì)導(dǎo)致mos寄生電感產(chǎn)生很大感抗，這里面就有電容，電感，電阻組成震蕩電路，造成MOS誤導(dǎo)通、燒毀等問(wèn)題。

產(chǎn)生問(wèn)題的原因：

通過(guò)上圖我們分析，在t0-t1這段時(shí)間內(nèi)，VGS一開始隨著柵極電荷的增加而增加，開始給Cgs充電，當(dāng)電容達(dá)到門檻電壓后，VGS=VGSth后，MOS開始進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。

在t1-t2這段時(shí)間內(nèi)，MOS開始導(dǎo)通，此時(shí)的id就已經(jīng)開始有電流，但是電流很小。 此時(shí)的D極電壓比G極電壓高，電容Cgd是上正下負(fù)。

然后Vgs電壓繼續(xù)上升，Id也會(huì)繼續(xù)上升，當(dāng)上升到米勒平臺(tái)電壓Va的時(shí)候，就會(huì)發(fā)生固有轉(zhuǎn)移特性（Vgs不變，id也保持不變）。

在t2-t3這段時(shí)間內(nèi)，雖然柵極電荷繼續(xù)增加，但是柵極電荷也有了另外一條通路（下圖紫色標(biāo)注通路），柵極電荷這個(gè)時(shí)間大部分用來(lái)給電容Cgd進(jìn)行充電，導(dǎo)致VGS電壓不在增加。 此時(shí)的Cgd極性與漏極充電相反，即下正上負(fù)，因此也可理解為對(duì)Cgd反向放電，最終使得Vgd電壓由負(fù)變正，結(jié)束米勒平臺(tái)進(jìn)入可變電阻區(qū)。 米勒平臺(tái)時(shí)間內(nèi)，Vds開始下降，米勒平臺(tái)的持續(xù)時(shí)間即為Vds電壓從最大值下降到最小值的時(shí)間。

通過(guò)上圖我們可以分析在米勒平臺(tái)的這段時(shí)間內(nèi)，VGS 和id都是保持不變的，VDS從最大值降到了最小值。 所以剛進(jìn)入米勒平臺(tái)時(shí)，在MOS管上產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗非常的大。 我們假設(shè)VDS電壓從12V減低到了0.5V,id=10A保持不變，可以計(jì)算導(dǎo)通功耗也從 120W變?yōu)?W，這個(gè)功率的變化時(shí)很大的，如果開通時(shí)間慢，意味著發(fā)熱從120w到5w過(guò)渡的慢，mos結(jié)溫會(huì)升高的厲害。 所以開關(guān)越慢，結(jié)溫越高，容易燒mos。

Cds電容：源極和漏極之間的等效電容。

3、柵極電阻 （Rg）

Rg 是被設(shè)計(jì)在芯片柵極區(qū)域里，在 MOSFET 嵌入 Rg 下，柵極驅(qū)動(dòng)電路可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

4、開關(guān)時(shí)間

MOSFET的開通時(shí)間ton由開通延遲時(shí)間td(on)和上升時(shí)間tr組成，關(guān)斷時(shí)間toff由關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)和下降時(shí)間tf組成。

4、1 td(on) –導(dǎo)通延遲時(shí)間

td(on)是指從 VGS 輸入電壓升到 10% 到 VDS下降到 90% 兩點(diǎn)之間的時(shí)間。 t0-t1時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)電平置高，打算開通MOSFET,但是由于柵極等效電容的存在，柵極電壓VGS緩慢上升，由于VGS尚未達(dá)到VGS（th）,所以MOSFET尚未開通，這段時(shí)間代表從開始“開通”到“開通開始生效”的延遲。

4、2 tr –導(dǎo)通上升時(shí)間

tr是指 VDS 從 90%下降到 VDS 的 10% 兩點(diǎn)之間的時(shí)間。

t1時(shí)刻，VGS電壓達(dá)到開通門限，MOSFET開始導(dǎo)通，由于漏源之間的等效電容，從t1時(shí)刻開始，VD逐漸降低，ID逐漸增大。 t2時(shí)刻，VD達(dá)到最低，ID增至最大，MOSFET完成開通過(guò)程。

實(shí)際上，在tr時(shí)間段內(nèi)，VGS電壓會(huì)因?yàn)椤懊桌掌脚_(tái)”維持不變，在t2時(shí)刻以后，VGS電壓逐漸上升到驅(qū)動(dòng)電壓的最大值。

這段時(shí)間稱為上升時(shí)間，代表了ID電流上升到最大所需要的時(shí)間。

4、3 td(off) –關(guān)斷延遲時(shí)間

td(off)是指 VGS 下降到 90% 到 VDS 上升到其關(guān)斷電壓的 10% 兩點(diǎn)之間的時(shí)間。 t3-t4時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)電平置低，打算關(guān)斷MOSFET。 同樣由于柵極等效電容的存在，VGS只能緩慢降低，在VGS尚未降低到門限電壓之前，MOSFET的導(dǎo)通狀態(tài)不會(huì)有變化，這段時(shí)間代表開始“關(guān)斷”到“關(guān)斷開始生效”的延遲。

4、4 tf – 關(guān)斷下降時(shí)間

tf是指 VDS 從 10%上升 到其關(guān)斷電壓的 90% 兩點(diǎn)之間的時(shí)間。 在t4時(shí)刻，VGS電壓降低到門限電壓，MOSFET關(guān)斷，t5時(shí)刻，VD達(dá)到最高，ID減小至最低，MOSFET完成關(guān)斷過(guò)程。

這段時(shí)間稱為下降時(shí)間，代表了ID電流下降到最低所需要的時(shí)間。