選型必看！MOSFET四大非理想?yún)?shù)詳解

幾乎所有的書籍資料，在講解MOSFET的時(shí)候，都喜歡先從微觀結(jié)構(gòu)去分析MOSFET基于半導(dǎo)體特性的各種結(jié)構(gòu)，然后闡述這些結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其參數(shù)的成因。但是這種方式對于物理基礎(chǔ)較弱的應(yīng)用型硬件工程師是非常不友好的，導(dǎo)致大家看了大量的表述沒有理解，沒有汲取到營養(yǎng)。各種三維、二維的圖形，各式各樣，也不統(tǒng)一。

本章節(jié)，我們從應(yīng)用的角度，來看我們選擇一個(gè)開關(guān)的器件，當(dāng)選擇了一個(gè)MOSFET之后，他并不是一個(gè)完全理想的開關(guān)器件。通過其不理想的地方，理解他的一些關(guān)鍵參數(shù)。后續(xù)的內(nèi)容，我們再通過微觀結(jié)構(gòu)去理解一下導(dǎo)致這些參數(shù)的原因。先知道是什么樣的，再理解為什么會(huì)導(dǎo)致這個(gè)樣，更易于幫助大家理解。

前文，我們已經(jīng)提到我們在開關(guān)電源中選擇增強(qiáng)型N-MOSFET，我們希望他是一個(gè)理想的開關(guān)。要么完全打開（打開時(shí)，電阻值為∞），要么完全閉合（閉合時(shí)，電阻值為0），而且打開和關(guān)閉的過程是瞬間完成的，不需要開關(guān)過程的時(shí)間。

首先在完全“開”和完全“關(guān)”的狀態(tài)，MOSFET就是不理想的，這里涉及他的兩個(gè)參數(shù)。

1、IDSS：零柵壓漏極電流

IDSS是指在當(dāng)柵源電壓為零時(shí)，在特定的漏源電壓下的漏源之間泄漏電流。即，剛剛我們描述的在MOSFET在完全“打開”的狀態(tài)，柵極（G極）和源極的壓差為0的時(shí)候，此時(shí)有漏電流通過MOSFET。也就是說MOSFET在截止的時(shí)候，沒那么理想，會(huì)“漏電”。

既然泄漏電流隨著溫度的增加而增大，IDSS在室溫和高溫下都有規(guī)定。漏電流造成的功耗可以用IDSS乘以漏源之間的電壓計(jì)算，通常這部分功耗可以忽略不計(jì)。特別是對于大功率開關(guān)電源，這點(diǎn)功耗在總功耗中的比例非常小。

2、RDS(on)：導(dǎo)通電阻

RDS(on) (Static 
Drain-to-SourceOn-Resistance,靜態(tài)通態(tài)電阻)是MOSFET充分導(dǎo)通時(shí)漏-源極之間的等效電阻。即，我們剛剛說的在開關(guān)完全閉合時(shí)，電阻不為0,有一個(gè)小電阻就是這個(gè)RDS(on)。在非飽和狀態(tài)DS之間的電壓是隨著柵極偏置電壓VGS的提高而降低的到飽和導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)達(dá)到最低值。在飽和導(dǎo)通狀態(tài),如果忽略溫度的變化RDS(on)幾乎不受漏極電流的影響。換言之，一定溫度條件下,飽和導(dǎo)通的MOSFET的RDS(on)幾乎是一個(gè)定值。

根據(jù)歐姆定律不難明白，RDS(on)是MOSFET導(dǎo)通功耗的決定性因素。低電壓規(guī)格的MOSFET的RDS(on)很低,這就意味著在開關(guān)狀態(tài)下，低電壓規(guī)格的MOSFET的自身功耗很低,這是MOSFET近年來發(fā)展迅速的主要原因之一。

它是一個(gè)非常重要的參數(shù)，決定了MOSFET導(dǎo)通時(shí)的消耗功率。此參數(shù)一般會(huì)隨結(jié)溫度的上升而有所增大。故應(yīng)以此參數(shù)在高工作結(jié)溫條件下（最惡劣條件下）的值作為損耗及壓降計(jì)算。

在MOSFET的制造工藝中，為了獲得更低的RDS(on)，會(huì)犧牲其他的性能，例如：DS之間的擊穿電壓VDDS。

RDS(on)越小的器件,制作的開關(guān)電源效率越高。但耐壓高的MOSFET，RDS(on)也大，所以限制了 低RDS(on)的MOSFET在高電壓開關(guān)電源中的應(yīng)用。另外,漏極電流Id增加, RDS(on)也略有增加; 柵壓Vgs升高, RDS(on)有所降低。一般所有型號的MOSFET在說明書的顯著位置給出的Rps(on)值均是指特定的測試條件下的值。器件資料中標(biāo)定的在特定RDS(on),是特定條件下測試的結(jié)果，一般VGS（一般為10V）、結(jié)溫及漏極電流的條件下，MOSFET導(dǎo)通時(shí)漏源間的最大阻抗。

3、VGS(th)或VGS(off)：閾值電壓

如果我們把MOSFET看成是一個(gè)開關(guān)，則控制這個(gè)開關(guān)的打開或者關(guān)閉，也是需要一定的條件的。并不是一點(diǎn)能量都不需要就可以對MOSFET進(jìn)行控制。這個(gè)控制的條件就是VGS(th)或VGS(off)：閾值電壓。

VGS(th)是指加的柵源電壓能使漏極開始有電流，或關(guān)斷MOSFET時(shí)電流消失時(shí)的電壓。當(dāng)外加控制柵極-源極之間的電壓差Vgs超過某一電壓值，使得這個(gè)開關(guān)開始打開的時(shí)候時(shí)，該值表示為Vgs(th)。對于器件廠家給出這個(gè)參數(shù)的時(shí)候，通常將漏極上的負(fù)載短接件下漏極電流 Id等于1mA時(shí)的柵極電壓定義為閾值電壓。

一般來講,短溝道MOSFET的漏極和源極空間電荷區(qū)對閾值電壓的影響較大，即隨著電壓增加,空間電荷區(qū)伸展,有效溝道長度縮短,閾值電壓會(huì)降低。因?yàn)楣に囘^程可影響Vgs(th),故Vgs(th)是可以通過改動(dòng)工藝而調(diào)整的。當(dāng)環(huán)境噪聲較低時(shí),可以選用閾值電壓較低的管子,以降低所需的輸入驅(qū)動(dòng)信號電壓。當(dāng)環(huán)境噪聲較高時(shí),可以選用閾值電壓較高的開關(guān)管,以提高抗干擾能力。閾值電壓一般為1.5~5V。

結(jié)溫對閾值電壓有影響，大約結(jié)溫每升高45℃，閾值電壓下降10%，溫度系數(shù)為

正常情況下，所有的MOS柵極器件的閾值電壓都會(huì)有所不同。因此，VGS(th)的變化范圍是規(guī)定好的。VGS(th)是負(fù)溫度系，當(dāng)溫度上升時(shí)，MOSFET將會(huì)在比較低的柵源電壓下開啟。

早期低Vgs（th）的MOSFET幾乎沒有，所以一般我們需要用單片機(jī)控制電源通斷的電路都需要先通過一個(gè)三極管轉(zhuǎn)成高壓控制信號再控制MOSFET。但是隨著低Vgs（th）的MOSFET的普及，可以直接對MOSFET進(jìn)行控制。

4、結(jié)電容

因?yàn)槭前雽?dǎo)體，就有PN結(jié)，有PN結(jié)，就有結(jié)電容。當(dāng)然根據(jù)我們剛剛的方法，先不管微觀模型。我們先從宏觀上看一下結(jié)電容等效到MOSFET三個(gè)電極之間的等效電容。

盡管結(jié)電容的容量非常小,對電路穩(wěn)定性的影響卻是不容忽視的，處理不當(dāng)往往會(huì)引起高頻自激振蕩。更為不利的是,柵控器件的驅(qū)動(dòng)本來只需要一個(gè)控制電壓而不需要控制功率,但是工作頻率比較高的時(shí)候,結(jié)電容的存在會(huì)消耗可觀的驅(qū)動(dòng)功率，頻率越高,消耗的功率越大。

這也就是我們通常認(rèn)為，MOSFET的GS兩極之間是一個(gè)高阻值的電阻，但是在設(shè)計(jì)開關(guān)電源的時(shí)候，我們通常需要加粗Gate極的PCB走線。保障在開關(guān)的過程中，驅(qū)動(dòng)MOSFET的瞬間電流比較大，有足夠的通流能力。這正是因?yàn)闃O間等效電容的存在。

當(dāng)然這個(gè)過程不簡簡單單是對電容進(jìn)行充電，還存在更復(fù)雜的過程。我們在后續(xù)的內(nèi)容進(jìn)行講解。敬請期待。