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MOSFET的寄生电容是如何影响其开关速度的

我们都知道,源极之间的 mosfet 栅极和漏极是介电层,因此在栅极和漏极之间一定有一个寄生电容在 cgs 和 cgd 之间,沟道没有形成,漏极之间也有一个寄生电容的 cds,所以在考虑寄生电容时,mosfet 等效电路如图2所示。

  

我们都应该知道,MOSFET的栅极和漏极之间有介质层,所以栅极和漏极之间必然存在寄生电容CGS和CGD。当没有形成沟道时,漏极和源极之间也存在寄生电容CDS。因此,当考虑寄生电容时,MOSFET的等效电路将如图2所示。但是,我们在MOSFET数据手册中一般看不到这三个参数,手册中给出的参数是CISS、COSS和CRSS(见图1)。

 

 

图 1 某数据技术手册进行关于寄生电容的描述

 

他们与CGS、CGD、CDS的关系如下:

 

Sith (CGS) CGD (CDS plus pictured), Corsese s CDS s CGD, Klaas s CGD

 

图2考虑寄生电容的 mosfet 模型

 

让我们看看这些寄生参数是如何影响开关速度的。如图3所示,当驱动信号UI出现时,MOSFET处于关闭状态。此时,CGS和CGD上的电压为UGS=0,ugd=-VDD,CGS和CGD上的电荷量为Qgs=0,QGD=ugdcgd=vddcgd。接下来,UI通过RG对CGS充电,UGS逐渐增大(在这个过程中,随着UGS的增大,CGD也会放电,但由于VDD比UGS大得多,CGD不会导致栅极电流的显著增大)。当UGS达到阈值电压时,一个电流开始流过MOSFET(事实上,当UGS没有达到阈值电压时,一个小电流已经流过MOSFET)。MOSFET上的电压降开始从原来的VDD下降,CGD上的电压也会下降。然后,它将伴随着CGD的释放。

 

由于CGD上的电荷量QGD=vddcgd较大,放电时间较长。在放电期间,栅极电流基本上用于CGD的放电,因此栅极源极电压的增加变慢。放电后,UI继续通过RG对CGS和CGD充电(因为此时MOSFET完全导通,相当于CGS和CGD并联),直到栅极源电压达到UI,开启过程完成。图4中的曲线很好地描述了在传导过程中UGS随时间的变化曲线。应该注意的是,实际曲线不是一条直线,因为驱动器不提供电流源。图4仅表示上升趋势。

 

图 3 考虑一个寄生系统电容时的MOSFET驱动控制电路

 

图4脉冲驱动下MOSFET的栅源电压上升曲线

 

同时,不难从上图 3 中看到 RG 越大,寄生电容器的充电时间越长。显然,当 RG 过大时,MOSFET 不会在短时间内完全打开。在高速交换应用程序(例如 D 类放大器、切换电源)中,这种电阻通常Ω到数十Ω。但是,即使在低速时,RG 也不适合太多,因为太大的 RG 可以延长电容器充电时间,即从关闭到完全打开的过渡时间。在此期间,MOSFET 是饱和的(放大区),管子可以承受大电压和电流,从而产生较大的功耗。但是,如果 RG 太小或直接短路,在驱动电压到达的那一刻,由于寄生电容器上的电压为零,前台需要通过大电流流动,导致前驱动电路受到冲击。

 

图5显示了高速开关应用中常用的MOSFET驱动电路,它满足了由一对互补BJT组成的发射极跟随器形式的驱动电流要求。Q1用于寄生电容器通电时充电,Q2用于寄生电容器关断时放电。有时我们需要更快的关机速度。通常,快速恢复二极管并联在栅极电阻器R1上,因此放电电路将通过二极管而不是电阻器。

 

图5常用高速驱动电路

 

图6具有增加的泄放电阻的驱动电路

 

在实际发展应用中,我们国家通常还会在MOSFET的栅源之间进行并联作为一个几KΩ到上百K Ω的电阻(如图 6 的R2),这是企业为了在输入栅源电压以及不确定时(如前级驱动系统电路控制失效),防止 MOSFET 处于一种非理性心理状态。

 

图7剩余电荷导致MOSFET导通的实验电路

 

我们可以做一个实验,图7中的电路连接,我们发现,即使门被悬挂,LED 也会发光。这表明门源之间出现高于阈值的电压,这是由寄生电容器上的残留电荷引起的。剩余电荷导致 UGS 超过阈值电压,但不足以完全打开 MOSFET。因此,MOSFET 处于放大状态(饱和区),管子耗电量大,导致设备损坏。此行为更有可能在低阈值电压下发生在 MOSFET 中。为了防止这种情况发生,寄生电容器的残留电荷通常通过门源之间的让步电阻器排出。

标签: 电容

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