在面向功率電子專業人士的網站上，如何導通 MOSFET 的話題可能不值一提，就好像在烹飪展上問如何把水燒開一樣。畢竟這不應當是個大問題。與雙極型器件不同，場效應晶體管是多數載流子器件（majority carrier device）。我們無需擔心電流增益，定制基礎電流以匹配 hfe 和可變集電極電流的極值，或者提供負壓驅動。MOSFET 是電壓驅動的，所以當把等于或大于閾值的電壓施加到柵極時它們就會導通，是不是？這些假設有多么錯誤取決于何時發現錯誤。量產最后期限之前的時間通常只有幾天。沒有一例記載表明設計工程師在仿真期間發現了問題。

 

隨著越來越多轉換器采用數字控制，需要重新認識如何導通 MOSFET（或者在更基本層面，確定應當施加到柵極的最小電壓）的問題。雖然數字控制可提供高一級的靈活性和功能性，但用于實現數字控制的 DSP、FPGA 和其他可編程器件在工作時使用的卻是低電源電壓。因此，有必要將最終 PWM 信號的電壓提高到 MOSFET 柵極要求的水平。這時，由于對 MOSFET 導通的真正原因的錯誤認識，問題隨之出現。許多數字設計工程師著眼于柵極閾值電壓并得出結論：如同其數字邏輯一樣，MOSFET 將在閾值被超過時立即改變狀態。

 

表 I) SiR826ADP 的柵極閾值規范

 

 

首先，閾值電壓 Vgsth 不是提供給系統工程師參考的。它是漏極電流超過 250 uA 閾值時的柵極電壓，同時還是在實際應用中不會出現的條件下測得的。有些情況下，5V 或更高的固定 Vds可能會被當作測試條件，但通常是按規定在柵極和漏極一起短路時測量的。這一點無需深究，產品數據表中有明確規定。表I顯示了針對 SiR826ADP 的 Vgsth 規范和測試條件。許多應用中都存在對所謂“誘發”柵極電壓（例如在同步降壓的低邊 MOSFET中）的擔心。同樣，使柵極電壓高于閾值并不會自動驅動器件進入由擊穿誘發的失效狀態。Vgsth 是 MOSFET 設計工程師的參數，它定義了器件處于導通閾值時的狀態。它代表的是開始，離結束還很遙遠。柵極電壓在關斷狀態時應低于閾值，以最小化漏電流。但在導通狀態期間，系統設計工程師能夠并應當完全忽略之。

 

產品數據表提供的另一個曲線是指 MOSFET 導通伴隨著柵極電壓增加（轉移特性）。圖1 顯示的是 SiR826ADP 的該曲線。但轉移特性更多的是電流變化關于溫度和所施加柵極電壓的度量。Vds 保持恒定但處于高水平，有時高達 15 V，但產品數據表并不總是提供這個參數。在下面所示的曲線中，20 A ld 電流， 3.2 V 的門極驅動電壓是不夠的。該組合會保持 10 V 的典型 Vds 和 200 W 的連續功率耗散。轉移曲線在 MOSFET 在線性模式下工作時十分重要，但與開關操作并無多大關系。

 

 

 

圖1) SiR826ADP 的轉移特性 圖2) SiR826ADP 的輸出特性

 

包含 MOSFET 完全導通時的數據的曲線稱為輸出特性曲線（如圖2 所示）。這里，對于不同的 Vgs 值，MOSFET 的正向壓降是電流的函數。設計工程師可參考該曲線來確保柵極電壓是足夠的。對于可保證 RDS(on)  的每個柵極電壓，都存在一個電壓范圍，在此范圍內，Vds 下降與電流保持嚴格線性關系（從零開始）。對于低于該范圍的柵極電壓值，隨著電流增加，曲線不再是線性的，在經過拐點后平坦化。圖3 顯示了柵極電壓為 2.5 V ~ 3.6 V 時的詳細輸出特性。MOSFET 用戶通常將此視為線性模式。但器件設計工程師將灰色區域稱為電流飽和區——對于給定的柵極電壓，可以提供的電流達到其飽和極限。所施加 Vds 的任何增加將在電流僅有輕微增加的情況下持續，而即使電流的微小改變也會導致 Vds 的相對大幅增加。對于較高柵極電壓，當 MOSFET 完全導通時，任何工作點都將位于左側綠色區域，該區域被標記為電阻（歐姆）區。請注意，所有曲線都是典型情況，沒有最小或最大限值，并且是在 25℃ 下得到的。在更低溫度下，使器件處于電阻區需要的柵極電壓會更高，增速為 0.3 %/℃。

 

 

 

 

圖3) 擴展輸出特性圖 圖4) 柵極電荷特性

 

在面對輸出特性時，設計工程師總需要知道其特定工作條件下的 RDS(on) ，通常這是在 VGS 和 Ids 組合條件下，這時曲線偏離直而細的綠色區，進入灰色區域。例如，在上面的例子中，這可能為柵極電壓 VGS = 3.1 V 和 10 A 啟動電流的組合。他們知道 RDS(on)  將高于規范值，但 MOSFET 制造商會對此提供一個大概說明嗎？由于 Vds 和 Ids都可從曲線得到，那么就存在將二者相除，以得到“有效” RDS(on) 的想法，而且實際上往往就是這樣做的。但遺憾的是這里并無 RDS(on) 可供計算，其在給定條件下并不存在。負載線代表電阻的任何部分必須以線性方式穿過原點。我們當然能夠將完整負載線模擬為非線性電阻。如果不出意外，這將確保對實際行為的任何理解在原點 ( 0,0 ) 處得到保持。

 

圖4 所示的柵極電荷曲線提供了導通 MOSFET 的真正線索。雖然每個 MOSFET 都會提供該曲線，但設計工程師并不總是理解其含義。此外，MOSFET 技術的最新進展（如溝槽和屏蔽柵極以及電荷補償超級結結構）要求對此信息有新的認知。首先，“柵極電荷”這個詞本身有一定誤導作用。線性和分段的曲線看上去并不像任何電容的充電電壓，無論其值有多么非線性。在現實中，柵極電荷曲線實際上代表不是并聯、具有不同容值和承載不同電壓的兩個電容的疊加。在文獻中，有效容值（從柵極引出線看）的定義是：

 

 

Ciss =Cgs +Cgd。

 

雖然這是一個便于測量并在產品數據表中加以規定的實體，但值得注意的是 Ciss 并非物理電容。認為只需給“柵極電容 Ciss”施加電壓即可使MSOFET導通的觀念是錯誤的。 如圖5 所示，在柵極導通前，源電容 Cgs 未充電，但柵漏電容 Cgd 具有需要消除的負電壓/電荷。兩個電容都是非線性的，其值會相對于所施加的電壓而有很大差異。因此，開關特性更多取決于其儲存的電荷而非任意給定電壓下的容值。 

 

 

 

 

圖5) 帶有初始電壓的柵極電容圖 6) 簡化的電感式導通電路 

 

由于構成 Ciss 的兩個組成電容具有物理差異且充電至不同的電壓，所以導通過程也有兩個階段。電感性和電阻性負載的準確順序是不同的；但在大多數實際應用中，負載大部分為電感負載并能使用圖6 所示的簡單電路來描述。關于時序圖 圖7：

 

T0 – T1 ：Cgs 從零充電至 Vgsth 。Vds 或 Ids無變化。

 

T1 – T2 ：器件中的電流隨著柵極電壓從 Vgsth 上升至平臺電壓 Vgp 而開始上升。Ids 從 0 A 上升至滿負載電流，但 Vds 無變化。相關電荷量是 Cgs 從 0 V 到 Vgp 的積分，在產品數據表中以 Qgs 表示。

 

T2 – T3 ：T2 和 T3 之間的平坦區域亦稱米勒平坦區。導通之前，Cgd充電至電源電壓 Vin 并保持，直至 Ids 在T2時達到峰值 ILOAD。在 T2 和 T3 之間，負電荷 (Vin Vgp) 轉變為對應于平臺電壓 Vgp 的正電荷。在漏極電壓從 Vin 降至接近零時也會看到這種情況。相關電荷量近似為 Cgd 從 0 V到 Vin 的積分，在產品數據表中以 Qgd 表示。

 

T3 – T4 ：隨著柵極電壓從 Vgp 上升至 Vgs，Vds 或 Ids 有非常小的變化。但是，有效 RDS(on) 會隨著柵極電壓上升而小幅減小。在高于 Vgp 的一些電壓下，制造商覺得有足夠自信對有效 RDS(on) 的上限做出保證。

 

當負載為電感性負載時，MOSFET 通道中的電流的上升必須在電壓開始下降之前完成。在電壓平臺的起點，器件處于關斷狀態且漏極和源極上的電流和電壓同時處于高位。在 T2 和 T3 之間，柵極獲得電荷量 Qgd，過程結束時，MOSFET 特性已從恒定電流模式變為恒定電阻模式。在這整個過渡期間，柵極電壓 Vgp 無顯著變化，這也是將 MOSFET 導通與任何具體柵極電壓聯系起來沒有意義的原因所在。

 

對關斷也可進行類似的分析，其中必須以相反順序從柵極消除上述兩個電荷量。Qgs + Qgd 之和保證 MOSFET 將會完全導通，但不能保證速度有多快。電壓或電流的變化速度由施加或消除柵極電荷分量的速度決定，這僅與柵極驅動電流有關。雖然快速的上升和下降時間對減小開關損耗是必不可少的，但它們也會帶來系統層面的問題，如高峰值電壓、振鈴和 EMI（電磁干擾），尤其是在電感式關斷期間。

 

 

 

圖7) 柵極電荷分量和時序 圖 8) 與所施加的 Vds 有關的容值變化 

 

圖7 所示的簡化的線性壓降假設 Cgd 為恒值，而實際 MOSFET 很少是這種情況。尤其是，高壓超級結 MOSFET 的 Cgd 會表現出極端的非線性行為，如圖8 所示 SiHF35N60E 的情況。Crss 在首個 100 V 內的變化率超過 200:1。因此，針對柵極電荷曲線的實際電壓下降時間可能更像是圖7中的紅色虛線。上升和下降時間及其對應的 dV/dt 值更多取決于較高電壓下的 Crss 值而非整個曲線的積分（以 Qgd 表示）。當在不同設計平臺上進行器件比較時，用戶需要知道具有一半 Qgd 的 MOSFET 并不一定具有兩倍的開關速度或者只有一半開關損耗。根據 Cgd 曲線的形狀及其在較高電壓下的值，器件具有低 Qgd但并未表現出開關速度增加的情況是十分可能出現的。

 

 

在現實世界中，MOSFET 導通不是一個事件，而是一個過程。設計工程師必須停止考慮施加 Vgsth 或其他一些電壓作為柵極輸入，因為這將使輸出從高 RDS(on) 切換至低 RDS(on)。沒有必要討論在柵極電壓低于一些特定值時有關 RDS(on) 的問題，因為并非柵極電壓本身使 MOSFET 導通，真正起作用的是通過柵極引腳注射進器件的兩個電荷量 Qgs 和 Qgd。柵極電壓將在這個過程中升高到 Vgsth 和 Vgp 以上， 但這是次要的。現代功率MOSFET導通或關斷的速度亦非 Qgs 或 Qgd 的簡單函數。為了比較開關速度（特別是對超級結 MOSFET），需要詳細研究兩個柵極電荷曲線和容值特性。