MOSFET的开启过程讨论

只看该作者 · 2023-3-1 20:54

本帖最后由 kk的回忆于 2023-3-2 20:58 编辑

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@21小跑堂

当使用MOS管当做开关管使用的时候，给MOS管栅极提供驱动信号，MOS管的开启过程也很直接，驱动信号电压先给栅极电容Cgs充电，栅极电压达到阈值电压后会继续上升，此时MOS管沟道开启。随后栅极电压到达米勒平台电压后，不再给Cgs充电，仅仅给Cgd充电，栅极电压就保持不变。随后将Cgd充满后，栅极电压继续上升直到和驱动电压相同，完成MOS管的开通过程。这个工作过程很多资料都说的比较详细，在这里想讨论下，在给栅极电容Cgs和栅漏电容Cgd充电过程中，充电电流是怎么变化的。

以AO6408作为仿真对象分析，由于栅极电容Cgs和栅漏电容Cgd都位于MOS管内部，为了便于仿真分析，下图仿真的时候将C4=1p等效过Cgs，C5=1p等效过Cgd。AO6408的典型参数通过查阅规格书可知：阈值电压为Vth=1V。实际的Cgs=1000pF，Cgd=500pF。

通过仿真可以看出，在Vth=1V之前，驱动电压V4只给C4充电，到达米勒平台电压Vth_pl=1.3V的时候，就只给C5充电。随后C5充满后，就继续给C4充电。这个工作过程和理论分析的是一样的。通过电容分流分析可知，AO6408的Cgs充电电流是C4的1000倍，最大值就是34mA左右。AO6408的Cgd充电电流是C5的500倍，最大值就是30mA左右。尽管MOS管是电压驱动型电路，但是驱动电压V4不仅要提供电压，还得具有电流输出能力。

如果驱动电压V4的电流输出能力很弱，那么是不是就不能打开MOS管。所以下面通过恒流源驱动MOS栅极电压的仿真进行仿真。恒流源的输出电流能力是VBE/R1=0.6mA。此时通过仿真，根据电容分流分析，AO6408的Cgs只有250uA，缩小了120分之一；AO6408的Cgd只有1mA，缩小了30分之一；此时MOS管依然是开启的。

两次仿真带来的不同之处：使用恒流源驱动就让MOS管的开启速度变得太慢了，从跟原来的80ns开启时间变为57us，足足增长了750倍。这回造成开启瞬间的功率变得很大，负载很大的话，就很有可能造成MOS管开机热击穿的。所以Cgs和Cgd的充电电流大小和导通时间是息息想关的，充电电流小，充电时间足够长，依然是可以导通MOS的。

通过上图仿真，可以看出，漏极电压在导通之前，会有一点点过冲现象的产生。按理说，电源电压只有5V，怎么漏极电压会高出5V呢？这个现象，就和输出电容Cds有关了。当栅极电压产生的时候，MOS管还没有开启之前。此时栅极电压经过Cgd和Cds分压，就在漏极产生一个新的电压，叠加在电源Vcc上，Vd=Vcc+Vg*Cgd/(Cds+Cgd), 继续查阅规格书，知道Cds=350pF，MOS管开启之前Vgmax=1V，不会超过阈值电压，就能能到过冲电压Vg*Cgd/(Cds+Cgd)=0.41V。和仿真得到的0.45V很接近。