MOS管(金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管)分为N沟道和P沟道,下面以N沟道增强型MOS管为例,详细介绍其开通和关断过程。
开通过程
可以将开通过程细分为四个阶段:
1. 延迟时间(td(on))
● 原理:当给MOS管的栅极施加一个正向驱动电压时,驱动源开始对栅极电容iconCgs充电。在这个阶段,栅源电压Vgs从0开始上升,但尚未达到MOS管的开启电压Vth ,MOS管的沟道还未形成,漏极电流Id几乎为0,漏源电压Vds保持在初始的高电平(等于电源电压)。
● 影响因素:延迟时间主要取决于栅极驱动电路的输出电阻Rg和栅极电容Cgs,时间常数为RgCgs。驱动电阻icon越大,充电时间越长,延迟时间也就越长。
2. 上升时间(tr)
● 原理:当Vgs上升到开启电压Vth后,MOS管开始形成导电沟道,漏极电流Id开始上升。随着栅极继续充电,Id迅速增加,同时由于负载的存在,漏源电压Vds开始下降。这一阶段栅源电压Vgs保持在Vth附近基本不变,因为充电电流大部分用于增加漏极电流。
● 影响因素:上升时间与栅极驱动电流、MOS管的跨导等因素有关。驱动电流越大,Id上升越快,上升时间越短;MOS管跨导越大,在相同栅源电压变化下,漏极电流变化越大,上升时间也会缩短。
3. 米勒平台时间(tp)
● 原理:当漏极电流Id上升到接近其稳态icon值时,漏源电压Vds继续下降,此时会通过栅漏电容Cgd(也称米勒电容)产生一个反馈电流。这个反馈电流会抵消一部分栅极的充电电流,使得栅源电压Vgs在一段时间内保持基本不变,形成一个“平台”。在米勒平台期间,MOS管处于放大区,漏源电压从高压快速下降到接近导通压降。
● 影响因素:米勒平台时间主要取决于米勒电容Cgd和负载电流。米勒电容越大,反馈电流越大,需要更长时间来完成对栅极的充电,米勒平台时间就越长;负载电流越大,米勒平台时间也会相应增加。
4. 导通稳定阶段
● 原理:当栅源电压Vgs继续上升并超过米勒平台,栅极电容充电基本完成,Vgs达到驱动电压值。此时,MOS管进入完全导通状态,漏极电流Id达到稳态值,漏源电压Vds下降到导通压降(一般为几毫伏到几百毫伏),MOS管的导通电阻iconRds(on)很小。
关断过程
关断过程同样可以分为四个阶段:
1. 延迟时间(td(off))
● 原理:当撤去栅极的正向驱动电压,栅极电容Cgs开始通过驱动电路的输出电阻放电。在开始阶段,栅源电压Vgs还高于MOS管的开启电压Vth,MOS管仍然处于导通状态,漏极电流Id和漏源电压Vds基本保持不变。
● 影响因素:延迟时间取决于栅极电容Cgs和驱动电路的放电电阻,放电电阻越大,延迟时间越长。
2. 下降时间(tf)
● 原理:随着Cgs继续放电,栅源电压Vgs下降到Vth以下,MOS管的导电沟道开始变窄,漏极电流Id开始下降。同时,由于负载的作用,漏源电压Vds开始上升。这一阶段与开通时的上升时间相对应。
● 影响因素:下降时间与栅极放电电流、MOS管跨导等有关。放电电流越大,Id下降越快,下降时间越短。
3. 米勒平台时间(关断时)
● 原理:当漏源电压Vds上升时,会通过米勒电容Cgd产生一个反向的充电电流,使得栅源电压Vgs在一段时间内保持基本稳定,形成关断时的米勒平台。在这个阶段,MOS管仍然处于放大区,漏源电压从导通压降快速上升到电源电压。
● 影响因素:和开通时类似,关断时的米勒平台时间取决于米勒电容Cgd和负载电流。米勒电容越大、负载电流越大,米勒平台时间越长。
4. 关断稳定阶段
● 原理:当栅极电容放电完成,栅源电压Vgs下降到接近0,MOS管的导电沟道完全消失,漏极电流Id几乎为0,漏源电压Vds上升到电源电压,MOS管处于关断状态。
对于P沟道增强型MOS管,其开通和关断过程与N沟道类似,但驱动电压的极性icon相反。在实际应用中,了解MOS管的开通和关断过程有助于优化驱动电路设计,减少开关损耗,提高系统的效率和性能。

