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MOSFET的寄生電容是如何影響其開關(guān)速度的?

發(fā)布時(shí)間:2020-11-03 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】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。
   
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)手冊中一般看不到這三個(gè)參數(shù),手冊給出的參數(shù)一般是 CISS、COSS和CRSS(見圖 1 ),
 
 
MOSFET的寄生電容是如何影響其開關(guān)速度的?
圖 1 某數(shù)據(jù)手冊關(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
 
MOSFET的寄生電容是如何影響其開關(guān)速度的?
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 Ui到來的一瞬間,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 Ui通過 RG對 CGS充電,UGS逐漸升高(這個(gè)過程中,隨著 UGS升高,也會伴隨著 CGD的放電,但是由于VDD遠(yuǎn)大于UGS,CGD不會導(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 MOSFET 了),MOSFET 上承受的壓降由原來的 VDD開始減小, CGD上的電壓也會隨之減小,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。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RG繼續(xù)對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,開啟過程至此完成。圖 4 的曲線很好地描繪了導(dǎo)通過程中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。
 
MOSFET的寄生電容是如何影響其開關(guān)速度的?
圖 3 考慮寄生電容時(shí)的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路
 
MOSFET的寄生電容是如何影響其開關(guān)速度的?
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)間將會越長。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^大的RG會延長電容充電的時(shí)間,也就是MOSFET從關(guān)斷到充分導(dǎo)通的過渡時(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)電壓到來的一瞬間,由于寄生電容上的電壓為零,前級需要流過一個(gè)很大的電流,造成對前級驅(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)對寄生電容的充電,Q2用于關(guān)斷時(shí)對寄生電容的放電。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)過這個(gè)二極管而不是電阻。
 
MOSFET的寄生電容是如何影響其開關(guān)速度的?
圖 5 常用的高速驅(qū)動(dòng)電路
 
MOSFET的寄生電容是如何影響其開關(guān)速度的?
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)(如前級驅(qū)動(dòng)電路失效),防止 MOSFET 處于非理性狀態(tài)。
 
MOSFET的寄生電容是如何影響其開關(guān)速度的?
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,我們會發(fā)現(xiàn),即使柵極懸空,LED 也會發(fā)光。這說明,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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