ROHM课堂丨MOSFET基础 寄生电容、Qg、米勒平台、阈值

　　MOSFET基础|寄生电容、Qg、米勒平台、阈值

　　MOSFET是一种仅通过栅极电压即可控制大电流的半导体开关。双极晶体管通过基极电流工作，而MOSFET则通过对其栅极引脚处的电容(寄生电容)进行充放电来进行开关工作。这种寄生电容的大小以及充电所需的电荷量决定着开关速度和损耗。

　　在设计开关电源或负载开关时，需从技术规格书中读取寄生电容(Ciss/Coss/ Crss)、总栅极电荷(Qg)和栅极阈值电压(VGS(th))。因为这些因素直接关系到开关时间、损耗以及非预期的导通状态(误开通)等风险。本文旨在探讨如何解读MOSFET技术规格书中的相关参数，并将其应用于电路设计之中。

　　MOSFET的结构和栅极控制要点

　　MOSFET仅通过栅极电压即可控制大电流。向栅极引脚(Gate)施加电压后，半导体内部会形成电流通道(沟道)，从而在漏极-源极(Drain-Source)之间流过电流。双极晶体管依靠基极电流工作，而MOSFET在稳态时几乎没有栅极电流(仅有漏电流，随温度和施加电压而增加)，因此可以降低驱动电路的功耗。但是，在开关过程中需要对栅极引脚上的电容(寄生电容)进行充放电，这种电荷的充放决定着开关速度和损耗。

　　MOS结构与N沟道(Nch)/P沟道(Pch)的区别

　　N沟道MOSFET是在P型衬底上形成N型源极和漏极，当在栅极施加正电压时，会在栅极氧化层下方形成电子沟道。P沟道MOSFET在N型衬底上具有P型源极和漏极，通过在栅极施加负电压形成空穴沟道。N沟道具有较高的电子迁移率，适合高速工作;而P沟道则被用于简化高边开关驱动电路。

　　在栅极电极和半导体之间夹有一层薄氧化层，该介电层会形成电容。源极和漏极的接合处也会因耗尽层而产生电容，这些电容共同形成了寄生电容。N型和P型的电容量绝对值不同，但对应关系及处理方式相同。

　　MOSFET与BJT的区别及高输入阻抗的优势

　　双极晶体管是通过基极电流来控制集电极电流的电流驱动器件，其工作点由基极-发射极结的正向压降(约0.7 V)和电流放大系数hFE决定。MOSFET是一种通过栅极电压控制沟道电阻的电压驱动器件，在稳态条件下，其栅极电流仅维持在漏电流水平(该电流会随温度和施加电压的升高而增加)。尽管驱动电路的输出电阻较大，在稳态时的功率损耗也很小，这是其优点。

　　在开关瞬间会有栅极电容的充放电电流流过，这会成为栅极驱动IC的负载。寄生电容增大会延长充放电时间，并使开关损耗和由dV/dt引起的噪声增加。高输入阻抗在稳态驱动中是一个优点，瞬态时的容性负载是双极晶体管无需考虑的问题。

　　开关应用中至关重要的MOSFET参数

　　技术规格书中会给出导通电阻、寄生电容、总栅极电荷、栅极阈值电压、最大漏极电流及耐压等参数。导通电阻决定传导损耗，而最大电流和耐压则决定安全工作区的外围边界。本文将以直接影响开关速度和损耗的参数为主进行阐述。

　　输入电容(Ciss)是栅极驱动电路所承载的电容量，而反馈电容(Crss)则因开关过程中栅极电压上升/下降出现短暂停顿的米勒效应，产生开关延迟。输出电容(Coss)是指在漏极电压变化时进行电荷充放电的电容。总栅极电荷(Qg)是指使栅极完全导通所需的总电荷量，用于估算开关损耗。栅极阈值电压是沟道开始形成的电压，与防止误开通的裕量设置相关。

　　MOSFET中寄生电容的解读方法

　　MOSFET的寄生电容在技术规格书中以输入电容(Ciss)、输出电容(Coss)和反馈电容(Crss)三种形式表述。这些是栅极-源极之间、栅极-漏极之间和漏极-源极之间电容的组合值。输入电容涉及栅极驱动电路必须充电的电容量，反馈电容涉及米勒效应引起的延迟，输出电容则涉及漏极电压变化时的电荷进出。

　　寄生电容与技术规格书表述的对应关系

　　栅极-源极间的电容(Cgs)是栅极电极与源极引脚之间的氧化层电容，其值基本保持恒定。栅极-源极间的电容(Cgd)在漏极电压较高时，缺乏载流子的区域(耗尽层)扩大，这有效增加了电容极板间的距离，从而使电容减小。漏极-源极间的电容(Cgd)取决于漏极电压。

　　技术规格书中的输入电容(Ciss)是在将漏极引脚与源极引脚短路的状态下，测得的栅极-源极之间的电容值。其表达式如下：

　　Ciss=Cgs+Cgd

输出电容(Coss)是在将栅极引脚与源极引脚短路的状态下，在漏极-源极之间测得的电容值。

　　Coss=Cds+Cgd

反馈电容(Crss)指栅极-漏极之间的电容本身。

　　Crss=CgdN

沟道和P沟道的电容绝对值不同，但这种对应关系是一致的。在开关设计中，输入电容影响栅极驱动电路的负载，反馈电容影响米勒效应引起的延迟，输出电容则影响关断时的漏极电压振铃。

　　寄生电容与温度特性及开关速度的关系

　　寄生电容取决于氧化层和耗尽层的电容，特点在于受温度变化的影响通常较小。与半导体的载流子迁移率会随温度变化不同，电容值本身的温度系数较低，通常对电压的依赖性占主导地位，温度依赖性相对较小。

　　如果漏极电压较高，耗尽层就会扩大，栅极-漏极间电容和漏极-源极间电容就会减小。技术规格书中的电容曲线图，横轴为漏极电压，纵轴绘制了各项电容，通过曲线图可以看到电容从0V到额定电压附近的变化趋势。在实际应用中，会读取开关工作时电压范围对应的电容值，并通过平均值或最大值进行估算。关于温度补偿，只要不是在极端低温或高温环境下，都可以省略。

　　开关速度由栅极电阻、输入电容和反馈电容综合决定。在导通时对输入电容进行充电，当栅极电压超过阈值后，漏极电压通过反馈电容开始降低。在该过程中，会出现栅极电压暂时停滞的米勒平台，这里的电压变化率(dV/dt)直接关系到引发电磁干扰和误开通的误启动(Self Turn-on)风险。

　　技术规格书中电容曲线图的读取步骤与电容平衡

　　电容特性曲线图在漏极电压0V到额定电压的范围内绘制了输入电容、输出电容和反馈电容的特性曲线。横轴为对数或线性的漏极电压，纵轴为对数标度的电容。输入电容相较于输出电容和反馈电容，其变化通常较小。开关设计中，需读取实际工作电压范围对应的电容量。

　　输入电容的绝对值即为栅极驱动电路的负载电容。驱动IC的输出电流能力与栅极电阻相结合，可大致估算充电时间常数。反馈电容与输入电容之比，可体现米勒效应的强度。反馈电容越大，在开关过程中当漏极电压急剧变化时，栅极电流越会被用于栅-漏电容(Cgd)的充放电(容性反馈)，从而导致栅极电压上升停滞。如果这个比值较大，开关损耗就会增加。输出电容会影响关断时的漏极电压振铃。在感性负载的开关工作中，输出电容与电感会发生谐振，从而引发振铃现象，这可能导致过电压应力及辐射噪声。

　　反馈电容(Crss)相对于输入电容(Ciss)越小，越能抑制米勒效应，对高速开关越有利。电容比(Crss / Ciss)在0.1以下的MOSFET，其米勒平台较短，在电压变化率容易引起误启动(Self Turn-on)的高边MOSFET关断时，低边急剧的电压变化不易导致高边误开通。

　　MOSFET的总栅极电荷和米勒平台的解读方法

　　总栅极电荷(Qg)是指将MOSFET从关断状态切换至完全导通状态所需的总电荷量。也可以说是为栅极电容充电所需的电荷量。该值越大，充电时间就越长，开关损耗也会随之增加。在技术规格书中，它以总电荷与栅极电压关系曲线图的形式呈现，该曲线图上会出现与电压变化率和噪声直接相关的平坦部分，也就是米勒平台。

　　总栅极电荷的定义与导通电阻之间的权衡关系

　　总栅极电荷定义为对流入栅极引脚的电流进行时间积分所得的电荷量。在测量中，将漏极电流和漏极电压固定在规定值，并使栅极流过恒定电流来提高栅极电压。使栅极电压达到指定电压所需的电荷量即为总栅极电荷。总电荷越大，充电时间越长，开关损耗也相应增加。

　　总栅极电荷与导通电阻之间存在权衡关系。沟道变宽会使导通电阻降低，传导损耗减少，但由于栅极面积增加，输入电容和总电荷量会增大，从而导致开关损耗增加。而若缩窄沟道宽度，则导通电阻上升、传导损耗增加，但总电荷和输入电容会减小，开关损耗降低。在高频开关应用中，由于开关损耗占主导地位，因此会优先考虑总电荷;而在低频、大电流应用中，则会优先考虑导通电阻。

　　在技术规格书中，有时会列出漏极电压与漏极电流的多种组合下的总电荷量。漏极电压越高，在米勒平台的电荷就越多，总电荷量也就越大。在实际设计中，会在接近实际工作漏极电压的条件下读取总电荷。

　　总电荷-栅极电压特性及米勒平台的观察方法

　　总电荷-栅极电压特性图(Qg – VGS特性图)的横轴表示栅极引脚积蓄的电荷，纵轴表示栅极电压。栅极电压对应栅极电流蓄积?时间，因此该图展现了开关过程中栅极电压随时间的变化情况。

　　开关过程分为三个阶段进行。首先，对栅极电容进行充电，直到栅极电压达到阈值。当栅极电压超过阈值后，漏极电流开始流动，随后不久漏极电压开始下降。此时，由于漏极电压的急剧变化，通过栅极-漏极间电容，电荷会从漏极侧反向流入栅极侧(容性反馈)，栅极电压的上升停滞。这个平坦区域称为“米勒平台”。最后，漏极电压几乎降至零，栅极电压升至最终电压。

　　在米勒平台，漏极电压快速变化，电压变化率(dV/dt)增大。该电压变化率与电感器及线路电感相互作用，会引发电压振铃和辐射噪声。当高边MOSFET关断时，低边的电压变化率会在高边栅极上引起感应电压，从而导致误启动(Self Turn-on)现象。米勒平台的长度与反馈电容成正比，且随漏极电压升高而增加。

　　在栅极驱动电路的设计中，需要适度控制米勒平台的dV/dt。dV/dt过高会导致电磁干扰加剧，而过低则会增加开关损耗。调整栅极电阻RG，可以调节导通速度，优化米勒平台的持续时间。

　　根据总电荷估算开关时间和栅极电阻

　　总栅极电荷Qg是指对流入栅极的电流进行时间积分后得到的电荷量。因此，开关所需的时间可利用能够供给栅极的平均栅极电流Igate进行如下一次近似公式计算：

　　t≈QgIgate

其中，栅极电流Igate主要由包括栅极电阻RG和栅极驱动器输出电阻等在内的栅极回路等效电阻\(R-{G,eq}\)决定。在米勒平台，由于栅极电压会维持在看似几乎恒定的米勒平台电压Vplt附近，因此可以认为栅极是以驱动电压VDRV减去米勒平台电压Vplt的差值电压进行充放电的。

　　此时，平均栅极电流可通过下面的公式近似计算：

　　Igate≈VDRV−VpltRG,eq

综上所述，开关时间可以写为：

　　t≈Qg×RG,eqVDRV−Vplt

这估算方法简化了米勒平台的影响和驱动器输出电阻。在实际波形中，由于米勒平台内栅极电压会出现停滞，因此实际时间可能比单纯的RC时间常数更长。所以在设计中，可将此估算作为出发点，在可接受的dV/dt与开关损耗之间进行权衡，来调整RG的阻值。

　　由于Qg会随着技术规格书的测量条件(VDS、ID)的变化而改变，因此会使用更接近实际工作条件的Qg进行估算。

　　开关损耗是在导通时和关断时，漏极电压与漏极电流发生重叠的时间段内产生的，可以通过下面的公式进行估算：

　　Psw≈VDS×ID2×(tr+tf)×fsw

其中，tr和tf分别表示电压和电流的上升时间和下降时间。

　　导通时间和关断时间分别与总电荷和栅极电阻成正比，因此选择总电荷较小的MOSFET可以降低开关损耗。不过，由于减少总电荷会使导通电阻趋于升高，因此需要在传导损耗与开关损耗之间寻找最佳平衡点。

　　MOSFET阈值电压的解读方法与误解

　　阈值电压是当栅极电压超过该值时，在漏极-源极之间形成沟道并开始流过漏极电流的电压。但是，技术规格书中的值是在流过特定微小电流时测得的电压，并非“完全导通时的电压”。这是初学者很容易误解的关键要点。在实际应用中，会供给足以使额定电流流过的栅极电压，而阈值电压则用于判断防止误开通的裕量。

　　栅极阈值电压的定义及其与“导通电压”的区别

　　阈值电压在技术规格书中的定义如下。在漏极-源极之间施加特定的电压，当漏极电流达到规定值(例如：1mA、250μA)时的栅极电压即为阈值电压。根据这一定义，阈值电压是“沟道开始形成时的电压”，而非“能够通过大电流的电压”。

　　例如，以阈值电压为2.5V(标准值)、需要流过10A电流的MOSFET为例，查看技术规格书中的电流–栅极电压特性曲线图可知，大约需要5V至8V的电压。在阈值电压2.5V附近，仅流过微弱的电流，导通电阻也远高于规定值。在实际的开关电路中，通常将栅极电压设定在10V至15V左右，尽可能降低导通电阻。

　　还需要考虑阈值电压的波动。制造上的偏差和温度变化会导致阈值电压产生波动，技术规格书中也会以最小值、最大值来表示范围。防止误开通的裕量设计以最小值(必要时，包括温度条件在内的最坏情况)为基准，通过栅极电阻和齐纳二极管进行保护，确保栅极浪涌电压不超过最小值。

　　电流-栅极电压特性与基于温度依赖性和阈值的温度估算

　　电流-栅极电压特性曲线图展示了在漏极电压保持恒定值(例如：10V)时的传导特性，其横轴为栅极电压[V]，纵轴为漏极电流[A]。在特性图中，会分别绘制出25℃、75℃、125℃等温度参数的曲线。在栅极电压恒定的情况下，温度升高时会存在电流增加区域和电流减少区域。

　　当栅极电压处于阈值附近的低电压区域时，随着温度升高，阈值电压VTH(在技术规格书中通常表述为VGS(th))会降低，即使VGS保持不变，也更容易形成沟道，结果导致漏极电流ID容易增加(这是指在VGS恒定时观察到的ID温度系数为正，即容易形成dID/dT>0的区域)。另一方面，在VGS足够高的区域，由于温度升高引起的载流子迁移率降低(沟道电阻增加)起主导作用，温度越高，ID越趋于减少(此时，在VGS恒定的条件下观察到的ID温度系数为负，即容易形成dID/dT<0的区域)。由于这两者的作用相互抵消，多个温度下的ID – VGS曲线相交，在该交点处，对于相同的VGS，ID几乎不受温度影响，该点被称为“零温度系数点(ZTC)”。

　　从热失控(更严格地说，是线性模式工作中产生问题的局部热点型热不稳定性)的角度来看，在VGS恒定时观察到的ID温度系数为正的区域(通常为比ZTC更低的VGS侧)更容易形成正反馈。温度上升→电流增加→损耗增加(大致符合P≈VDS×ID)→温度进一步上升，这种循环会导致热失控风险增加。相反，在比ZTC高的VGS侧，ID的温度系数容易变为负值，这意味着温度升高的部分其电流会受到抑制，从而更容易实现自我稳定(负反馈)，这正是ZTC在实际应用中的意义。然而，即使在高于ZTC的VGS区域，如果工作条件超过绝对损耗或SOA(安全工作区)，仍然会造成器件损坏，因此不能简单地认为“只要高于ZTC就是安全的”。另外，开关应用中常说的“导通电阻RDS(on)随温度升高而增加(正温度系数)”这一特性，指的是低VDS的“完全导通区”中电阻的温度依赖性，这与本文所述的“在转移特性(VDS恒定)下，保持VGS不变时观察到的ID温度系数”的观测条件有所不同。

　　阈值电压随温度升高而降低，多数Si MOSFET具有约数mV/℃量级的负温度系数。不过，温度系数的大小取决于器件本身和测量条件。在技术规格书的电流-栅极电压特性图上，通过读取相同电流下栅极电压随温度的变化来估算结温变化量的思路是成立的。该方法被用于MOSFET的热阻测量以及过热保护电路的校正。

　　实际应用中的阈值使用方法和防误开通裕量

　　在实际的开关设计中，阈值电压被用作防止误开通的裕量基准。当高边MOSFET关断时，低边MOSFET的漏极电压会急剧上升，并通过栅极-漏极间电容在高边栅极上感应出电压。当该感应电压超过阈值时，高边MOSFET将意外导通，从而发生有直通电流流过的误启动(Self Turn-on)现象。

　　要防止误启动(Self Turn-on)，可以在栅极-源极之间施加负电压(例如-5V)来保持关断状态，或者减小栅极电阻以抑制感应电压。流经栅极-漏极间电容(Crss = Cgd)并流入栅极的感应电流，通过Crss × dVDS/dt可估算出来。由于该感应电流流过栅极电阻和栅极驱动器的输出电阻时，会拉高栅极电压，因此dV/dt越大，另外栅极回路的阻抗越大，越容易发生误启动(Self Turn-on)现象。

　　防误开通裕量的设计步骤如下：根据实际电路中的电压变化率和栅极-漏极间电容计算感应电压(感应电压 ≈ Crss × dVDS/dt ×RG,eq)。其中，RG,eq是包括外置RG和栅极驱动器输出电阻等在内的栅极回路的等效电阻。通过比较阈值电压的最小值和感应电压，调整栅极电阻以确保感应电压不超过最小值。或者，利用负电压关断电路将栅极电压降至-5V，以确保裕量。

　　关于负电压关断的实现与栅极驱动电路的细节，请参考“栅极驱动设计规范(电压窗口/RG/负电压/UVLO/Kelvin)”进行处理。阈值电压是误开通判定的边界，在实际操作中，通过将栅极电压设置得远高于阈值以确保完全导通，并在关断时将栅极电压保持在低于阈值以保证关断——理解这一概念，即可奠定设计的基础。

　　开关设计参数的区分使用

　　寄生电容、总栅极电荷和栅极阈值电压都是影响MOSFET开关特性的重要参数。用途和工作频率不同，需要优先考虑的参数和可接受的权衡取舍也会发生变化。如果是低频大电流应用，优先考虑导通电阻;如果是高频开关应用，则应重点关注总电荷与反馈电容。

　　MOSFET各参数的作用与权衡

　　寄生电容会直接影响开关速度和振铃。如果输入电容较大，栅极充电时间就会越长，开关损耗增加。如果反馈电容较大，则米勒效应增强，电压变化率相应减小。电压变化率小，电磁干扰就会减少，但开关损耗会增加。如果输出电容较大，关断时的漏极电压振铃就会剧烈，过电压应力和电磁干扰加剧。

　　总栅极电荷量决定开关损耗和栅极驱动电路的负载。总电荷越大，充电时间越长，开关损耗也随之增加。减小总电荷需要缩窄沟道宽度，但这会导致导通电阻上升，进而增加传导损耗。这就是总电荷与导通电阻之间的权衡关系

　　栅极阈值电压决定防误开通裕量和栅极驱动电压的下限。阈值低可实现低电压驱动，但防止误开通的能力会降低。阈值较高时，防误开通能力会增强，但无法进行低电压驱动，栅极驱动电路的功耗会增加。作为误启动(Self Turn-on)对策，可选择阈值较高的MOSFET，或与负电压关断方案并用。

　　这些参数在MOSFET的芯片设计中相互依存。增大沟道宽度会降低导通电阻，但会增加输入电容和总电荷量。缩短沟道长度会降低导通电阻，但会增加阈值的波动。降低氧化膜厚度可以提高栅极灵敏度并实现低电压驱动，但耐压和栅极耐受能力会下降。

　　不同的用途应优先考虑哪些参数

　　在低频大电流负载开关(例如：数kHz以下、数十A以上)中，传导损耗占主导地位，因此应最优先考虑导通电阻。允许总栅极电荷在一定程度上提高，只要确保栅极驱动电路具备足够的驱动能力，能提供充足的栅极电压，即可保证完全导通。在误启动(Self Turn-on)的对策方面，由于电压变化率较小，因此要求相对宽松。寄生电容对开关速度的影响有限，比起输入电容和输出电容的绝对值，应更优先考虑导通电阻和安全工作区。

　　在高频开关电源(如100 kHz以上，数A~数十A)中，开关损耗占主导地位，因此应优先考虑总栅极电荷和输入电容。即使导通电阻一定程度上偏高，也是可以接受的。反馈电容(Crss)相对于输入电容(Ciss)越小，越能抑制米勒效应，对高速开关越有利。电容比(Crss / Ciss)较小的产品，通常米勒平台较短，不易发生dV/dt引起的误启动(Self Turn-on)。作为防止误启动现象的对策，需要负电压关断或优化栅极电阻。另外，输出电容(Coss)会影响关断时漏极电压变化引起的振铃、过电压应力以及EMI，因此，在高频开关应用中，电路的寄生电感越大，其重要性就越大。

　　在线性模式(如热插拔或浪涌电流限制)下，MOSFET在饱和区工作，漏极电压和漏极电流都保持较高状态。安全工作区和热设计占主要地位，寄生电容和总电荷是次要的。此时，对阈值电压和互感的考量视角会发生变化，需要通过线性控制栅极电压来调节漏极电流。关于线性模式设计的细节，请参考“MOSFET线性模式入门(热插拔/浪涌电流抑制)”一文。

　　MOSFET基础知识总结

　　MOSFET的开关设计始于从技术规格书中读取寄生电容(Ciss /Coss/ Crss)、总栅极电荷(Qg)和栅极阈值电压(VGS(th))。输入电容决定栅极驱动的负载电容，反馈电容会因米勒效应产生延迟，而输出电容则影响漏极电压振铃的幅度。这些因素的平衡将决定开关特性。总栅极电荷是决定充电时间和损耗的总电荷量，需在在与导通电阻的权衡中选择最佳平衡点。阈值电压并非完全导通的电压，而是用于判断防误开通裕量的基准值。

　　在低频大电流应用中，优先考虑导通电阻;而在高频开关应用中，则需重点关注总电荷和反馈电容。根据实际工作条件读取技术规格书中的电容曲线图和总电荷-栅极电压特性，可以大致估算出栅极电阻和开关时间。实际设计的过程，就是结合热设计和安全工作区，不断推敲和完善电路整体的过程。