MOSFET寄生電容參數(shù)如何影響開關(guān)速度

我們應(yīng)該都清楚，MOSFET 的柵極和漏源之間都是介質(zhì)層，因此柵源和柵漏之間必然存在一個(gè)寄生電容CGS和CGD，溝道未形成時(shí)，漏源之間也有一個(gè)寄生電容CDS，所以考慮寄生電容時(shí)，MOSFET 的等效電路就成了圖 2 的樣子了。但是，我們從MOSFET 的數(shù)據(jù)手冊(cè)中一般看不到這三個(gè)參數(shù)，手冊(cè)給出的參數(shù)一般是 CISS、COSS和CRSS（見圖 1 ），

圖 1 某數(shù)據(jù)手冊(cè)關(guān)于寄生電容的描述

它們與CGS、CGD、CDS的關(guān)系如下：

CISS=CGS+CGD(CDS 短路時(shí))，COSS=CDS+CGD，CRSS=CGD

圖 2 考慮寄生電容時(shí)的MOSFET模型

下面看一下這些寄生參數(shù)是如何影響開關(guān)速度的。如圖 3，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào) Ui到來(lái)的一瞬間，由于MOSFET處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)CGS 和CGD上的電壓分別為UGS=0， UGD=-VDD，CGS和 CGD上的電荷量分別為 QGS= 0，QGD= UGDCGD=VDDCGD。接下來(lái) Ui通過(guò) RG對(duì) CGS充電，UGS逐漸升高（這個(gè)過(guò)程中，隨著 UGS升高，也會(huì)伴隨著 CGD的放電，但是由于VDD遠(yuǎn)大于UGS，CGD不會(huì)導(dǎo)致柵電流的明顯增加）。當(dāng)UGS達(dá)到閾值電壓時(shí)，開始有電流流過(guò)MOSFET（事實(shí)上，當(dāng)UGS還沒有達(dá)到閾值電壓時(shí)，已經(jīng)有微小的電流流過(guò) MOSFET 了），MOSFET 上承受的壓降由原來(lái)的 VDD開始減小， CGD上的電壓也會(huì)隨之減小，那么，也就伴隨著的 CGD 放電。

由于 CGD 上的電荷量 QGD= VDDCGD較大，所以放電的時(shí)間較長(zhǎng)。在放電的這段時(shí)間內(nèi)，柵極電流基本上用于 CGD 的放電，因此柵源電壓的增加變得緩慢。放電完成后，Ui通過(guò)RG繼續(xù)對(duì)CGS和CGD 充電（因?yàn)榇藭r(shí)MOSFET已經(jīng)充分導(dǎo)通，相當(dāng)于CGS和CGD并聯(lián)），直到柵源電壓達(dá)到Ui，開啟過(guò)程至此完成。圖 4 的曲線很好地描繪了導(dǎo)通過(guò)程中UGS隨時(shí)間變化的曲線。需要注意的是，由于驅(qū)動(dòng)提供的不是電流源，所以實(shí)際上的曲線并非直線，圖 4 僅代表上升趨勢(shì)。

圖 3 考慮寄生電容時(shí)的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

圖 4 脈沖驅(qū)動(dòng)下MOSFET柵源電壓上升曲線

同時(shí)，由上圖 3 不難看出，RG越大，寄生電容的充電時(shí)間將會(huì)越長(zhǎng)。顯然，RG 太大時(shí) MOSFET 不能在短時(shí)間內(nèi)充分導(dǎo)通。在高速開關(guān)應(yīng)用中（如 D 類功放、開關(guān)電源），這個(gè)阻值一般取幾Ω到幾十Ω。然而，即使是低速情況下，RG 也不宜取得太大，因?yàn)檫^(guò)大的RG會(huì)延長(zhǎng)電容充電的時(shí)間，也就是MOSFET從關(guān)斷到充分導(dǎo)通的過(guò)渡時(shí)間。這段時(shí)間內(nèi)，MOSFET處于飽和狀態(tài)（放大區(qū)），管子將同時(shí)承受較大的電壓和電流，從而引起較大的功耗。但是 RG如果取得太小或者直接短路的話，在驅(qū)動(dòng)電壓到來(lái)的一瞬間，由于寄生電容上的電壓為零，前級(jí)需要流過(guò)一個(gè)很大的電流，造成對(duì)前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路的沖擊。

圖 5 為高速開關(guān)應(yīng)用中常見的 MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路，以一對(duì)互補(bǔ)的 BJT 構(gòu)成射隨器的形式滿足驅(qū)動(dòng)電流的要求。其中Q1用于開啟時(shí)對(duì)寄生電容的充電，Q2用于關(guān)斷時(shí)對(duì)寄生電容的放電。有時(shí)候我們需要得到更快的關(guān)斷速度，通常在柵極電阻 R1 上并聯(lián)一個(gè)快恢復(fù)二極管，這樣的話，放電回路將經(jīng)過(guò)這個(gè)二極管而不是電阻。

圖 5 常用的高速驅(qū)動(dòng)電路

圖 6 增加泄放電阻的驅(qū)動(dòng)電路

在實(shí)際應(yīng)用中，我們通常還會(huì)在MOSFET的柵源之間并聯(lián)一個(gè)幾KΩ到上百K Ω的電阻（如圖 6 的R2），這是為了在輸入柵源電壓不確定時(shí)（如前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路失效），防止 MOSFET 處于非理性狀態(tài)。

圖 7 殘留電荷導(dǎo)致MOSFET開啟的實(shí)驗(yàn)電路

我們可以做這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：連接如圖 7 的電路，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，即使柵極懸空，LED 也會(huì)發(fā)光。這說(shuō)明，柵源之間出現(xiàn)了高于閾值的電壓，產(chǎn)生這一電壓的原因是寄生電容上的殘留電荷。殘留電荷使得 UGS高于閾值電壓但又不足以使 MOSFET 充分導(dǎo)通。結(jié)果是 MOSFET 工作在放大狀態(tài)（飽和區(qū)），管子承受很大的功耗從而造成器件的損壞。這種現(xiàn)象更容易發(fā)生在低閾值電壓的MOSFET 中。為了防止這種情況發(fā)生，往往通過(guò)柵源間的并聯(lián)電阻泄放寄生電容上的殘留電荷。

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