MOS管的导通过程和损耗分析

一路上

一、前言

MOS管在平时的电源电路和驱动电路的设计中使用非常广泛，只有深入了解其工作原理和规格书参数才能保证设计的稳定可靠。

二、MOS管导通过程分析

MOS管和三极管的特性曲线分别如图1和图2所示，它们各自区间的命名有所不同，其中MOS管的饱和区也称为恒流区、放大区。其中一个主要的不同点在于MOS管有个可变电阻区，而三极管则是饱和区，没有可变电阻区的说法。从图中也能明显看出，MOS管在可变电阻区内，Vgs一定时，Id和Vds近似为线性关系，不同Vgs值对应不同的曲线斜率，即漏极D和源极S之间的电阻值Rds受控于Vgs；而三极管在饱和区内，不同Ib值的曲线都重合在一起，即曲线斜率相同，阻值相同。

图1

图2

MOS管导通过程中的各电压电流曲线如图3所示，其中Vgs曲线有著名(臭名昭著)的米勒平台，即Vgs在某段时间(t3-t2)内保持不变。

图3

我们知道MOS管是压控器件，不同于三极管是流控器件，但是实际上MOS管在从关断到导通的过程也是需要电流（电荷）的，原因是因为MOS管各极之间存在寄生电容Cgd，Cgs和Cds，如图4所示。MOS管导通条件是Vgs电压至少达到阈值电压Vgs(th)，其通过栅极电荷对Cgs电容充电实现，当MOS管完全导通后就不需要提供电流了，即压控的意思。这三个寄生电容参数值在MOS管的规格书中一般是以Ciss，Coss和Crss形式给出，其对应关系为：Cgd=Crss；Cds=Coss-Crss；Cgs=Ciss-Crss。

图4

在MOS管的规格书上一般还有如图5所示的栅极充电曲线，其可以很好地解释为何Vgs电压会有米勒平台。Vgs一开始随着栅极电荷的增加而增加，但是当Vgs增加到米勒平台电压大小Vp时，即使栅极电荷继续增加，Vgs也保持不变，因为增加的栅极电荷被用来给Cgd电容进行充电。因此，MOS管会有对应的Qgs，Qgd和Qg电荷参数，如图6所示。在MOS管截止时，漏极电压对Cgd充电，Cgd的电压极性是上正下负；当MOS管进入米勒平台后，大部分的栅极电荷用来对Cgd进行充电，但是极性与漏极充电相反，即下正上负，因此也可理解为对Cgd反向放电，最终使得Vgd电压由负变正，结束米勒平台进入可变电阻区。米勒平台时间内，Vds开始下降，米勒平台的持续时间即为Vds电压从最大值下降到最小值的时间。由此可见米勒平台时间与电容Cgd大小成正比，在通信设备行业中-48V电源的缓启动电路经常在MOS管栅漏极间并联一个较大的电容，以延长米勒平台时间来达到电压缓启动的目的。

图5

图6

米勒平台电压的大小可以近似地通过以下公式进行估算，Id=gfs(Vp-Vgs(th))，通过规格书可以得到阈值电压Vgs(th)和跨导gfs，根据电路参数可以得到漏极电流Id，因此，可以近似推算出米勒平台电压Vp。但是需要注意的是跨导gfs并不是一个常数，规格书中给出的数值都是基于一定的Vds和Id条件下得到的。此外，还有另外一种估算方法Id=K(Vp-Vgs(th))2，根据规格书中的参数计算出常数K，然后计算得到Vp，有兴趣的可以查阅参考文献2。

了解了MOS管的米勒平台后，我们可以分析一下图3所示导通过程中MOS管电压电流的变化曲线。以常见的MOS管开关电路为例，在t0~t1时间段内，Vgs小于阈值电压Vgs(th)时，MOS管处于截止区关断，漏极电流Id=0，漏源极电压差Vds为输入电压Vin。

在t1~t2时间段内，随着Vgs从阈值电压Vgs(th)逐渐增大至米勒平台电压Vp，电流Id从0开始逐渐增大至最大值，MOS管开始导通，并进入恒流区（饱和区）。此时Vds仍旧维持不变，但是实际电路中可能会由于各种杂散寄生电感等因素的影响，也会产生一部分压降损失，导致实际的Vds会略微下降。同三极管类似，MOS管在饱和区内具有相似的放大特性，其公式为：Id=gfs*Vgs，gfs为MOS管的跨导，可从规格书中得到。

在t2~t3时间段内，当Id逐渐增大至最大值（由电路参数决定）时，MOS管开始进入米勒平台，由于电流Id已经达到最大值保持不变，所以Vgs=Id/gfs亦保持不变，即从公式角度也可以解释米勒平台。在t2~t3时间段内，Vds开始以一定斜率下降。但是实际下降的斜率在整个时间段内并非一直保持不变。因为MOS管的Cgd电容在这个过程中是变化的，一开始Cgd较小，之后变大，所以实际的VDS曲线斜率会稍有变化，即一开始Cgd电容小，电压下降较快，之后Cgd电容较大，电压下降较慢，Cgd电容值的变化曲线如图7所示。

图7

在t3之后，MOS管进入可变电阻区，米勒平台结束，Vgs电压在栅极电荷的驱动下继续升高至最大值，Vds则电压下降至最低值Rds(on)*Id。图3 MOS管导通曲线的简化版如图8所示，分析问题时图8已经足够使用。MOS管关断时的分析过程相反，其变化曲线如图9所示。

图8

图9

t1和t2的时间可以根据RC充放电原理进行近似计算，t1=Rg*Ciss*ln(Vgs/(Vgs-Vgs(th)))，t2= Rg*Ciss*ln(Vgs/(Vgs-Vp))，其中Vgs为栅极驱动电压大小，Rg为栅极驱动电阻。t2值近似于规格书中的参数延时导通时间td(on)。米勒平台的持续时间tp可以通过以下公式近似计算：由于该时间段内Vp保持不变，因此栅极驱动电流大小Ig=(Vgs-Vp)/Rg，tp=Qgd/Ig。tp=t3-t2，近似于规格书中的参数上升时间tr。

三、MOS管损耗分析

MOS管损耗主要有开关损耗（开通损耗和关断损耗，关注参数Cgd(Crss)）、栅极驱动损耗（关注参数Qg）和导通损耗(关注参数Rds(on))等。

以如图10所示的同步BUCK拓扑为例进行说明，由于高侧的开关管Q1和低侧的同步管Q2组成一个半桥结构，为了防止两个MOS管同时导通而使输入回路短路，因此两个MOS管的驱动信号会存在一个死区时间，即两个MOS管都关断。在死区时间内，由于电感的电流不能突变，因此同步管Q2的寄生体二极管将率先导通进行续流。

正是由于体二极管导通后，同步管Q2才被驱动导通，在忽略二极管压降的情况下，同步管Q2导通时两端电压为0，可以看作是0电压导通；同步管Q2导通后，其两端电压为0直至关断，因此也是0电压关断。

因此，同步管Q2基本没有开关损耗，这意味着对于同步管的选取，功耗主要取决于与导通电阻RDS(on)相关的导通损耗，而开关损耗可以忽略不计，因此不必考虑栅极电荷Qg。

而高侧的开关管Q1由于开通和关闭时都不是0电压，因此要基于导通损耗和开关损耗综合来考虑。

图10

所谓开关损耗是指MOS管在开通和关断过程中，电压和电流不为0，存在功率损耗。由前述MOS管导通过程可知，开关损耗主要集中在t1~t3时间段内。而米勒平台时间和MOS管寄生电容Crss成正比，其在MOS管的开关损耗中所占比例最大，因此米勒电容Crss及所对应的Qgd在MOS管的开关损耗中起主导作用。

因此对于MOS管的选型，不仅需要考虑栅极电荷Qg和栅极电阻Rg，也需要同时考虑Crss(Cgd)的大小，其同时也会在规格书的上升时间tr和下降时间tf参数上有间接反映，MOS管的关键参数如图11所示。

图11

MOS管的各种损耗可以通过以下公式近似估算：

导通损耗：

Q1管：P(HO) = D × (IO 2 × RDS(ON) × 1.3)；

Q2管：P(LO) = (1 - D) × (IO 2 × RDS(ON) × 1.3)；

系数1.3主要是考虑MOS管的导通电阻会随着温度的升高而增加。

栅极驱动损耗：

PGC = n ×VCC × Qg × fSW；

n表示MOS管的个数（MOS管选型相同时），fSW表示开关频率；栅极驱动损耗主要是发生在电源控制芯片上，而非MOS管上，但是其大小与MOS管的参数有关。

开关损耗：

PSW = 0.5× Vin × Io × (tr + tf) × fSW；

系数0.5是因为将MOS管导通曲线看成是近似线性，折算成面积功率，系数就是0.5；Vin是输入电压，Io是输出电流；tr和tf是MOS管的上升时间和下降时间，分别指的是漏源电压从90%下降到10%和漏源电压从10%上升到90%的时间，可以近似看作米勒平台的持续时间，即图3中的(t3-t2)。另外，规格书中的td(on)和td(off)可以近似看作是Vgs电压从0开始上升到米勒平台电压的时间，即图3中的t2。

参考文献：
MOS场效应管基本知识
MOS管开关电路设计详解（图文+案例）
1.PowerMOSFET Basics: Understanding Gate Charge and Using It To Assess SwitchingPerformance——VISHAY
2.MOSFET/IGBTDRIVERS THEORY AND APPLICATIONS——IXYS