为什么MOSFET的开关速度有限？

2023-11-20 12:13 由 evaq 发表于 #其他

MOSFET的开关速度有限，一来受到电容充放电速度的限制，MOSFET的开关速度本身受限；二来因为误导通问题，MOSFET的开关速度不能做太高，否则容易误导通。

MOSFET结构和特性

MOSFET的结构如下：

MOSFET的等效电路图如下：

MOSFET的栅极和漏极、源极之间通过一层薄氧化物如SiO2隔离，但这层绝缘层非常薄，尤其是栅极和源极之间，通常小于一微米厚，以埃为单位测量。这意味着栅极和源极、漏极之间存在相当大的电容，尤其是\(C_{GS}\)非常大。

同时DG、DS之间也存在了相对较小的非线性电容。

计算MOSFET非线性电容介绍了MOSFET杂散电容的数量级随VDS的变化关系，如下图所示。

其中\(C_{ISS}=C_{gs}+C_{dg}\)，\(C_{OSS}=C_{dg}+C_{ds}\)，\(C_{RSS}=C_{gd}\)。

从图中可以看出，当\(V_{DS}\)较大时，\(C_{gs}>>C_{ds},C_{gs}>>C_{dg}\)，当\(V_{DS}\)较小时，\(C_{gd}\)相对较大，这会带来米勒效应。

在详谈米勒效应对MOSFET开关过程的影响中讲述了感性负载的米勒平台和误导通现象。

其中米勒平台直接影响了MOSFET的开关速度，为了避免误导通，需要限制MOSFET的开关速度。

米勒效应会带来充电时间的延长和米勒平台时间。

当开关管开通过程中，\(C_{gs}\)和\(C_{gd}\)是并联关系，驱动电流需要给\(C_{gs}+C_{gd}\)充电使得\(V_{gs}\)达到合适的电压。

除此之外，当开关管开通时，驱动电流还需要给\(C_{gd}\)充电使得\(V_{DG}\)电压能够降低，进而使得\(V_{DS}\)电压降低，使得开关管从饱和区进入线性区，以达到导通状态。

这会带来米勒平台现象，且电压\(V_{DS}\)越高，米勒平台所需的时间需要的越多，开通速度受限制。

但考虑到\(C_{gd}\)随\(V_{DS}\)的变化关系，\(V_{DS}\)越大，\(C_{gd}\)越小，故米勒平台所需时间与\(V_{DS}\)的关系灵敏度下降了。

开关管关断过程与开通过程刚好相反，有同样的原理。

因此，由于需要给\(C_{gd}\)充电和米勒平台的影响，米勒效应限制了MOSFET的开关速度。

在为什么米勒效应限制了MOSFET的开关速度？中，假设驱动电流恒定，给出了米勒效应对MOSFET开关速度的限制。

但是实际上我们可以用很大的驱动电流或电压源来驱动MOSFET，大幅度加快开关速度。理论上，我们可以得到理论为无穷大的开关速度。但为什么我们需要通过增加驱动电阻的方式限制驱动电流人为限制开关速度呢？明明开关速度越快，开关损耗越低。