MOSFET内部的寄生电容介绍

寄生电容：MOSFET内部的寄生电容(如门源电容Cgs、漏源电容Cds等)也会影响开关速度。高频应用中，寄生电容导致的开关延迟和电荷传输延迟是不可忽视的问题。开关损耗：MOSFET的开关损耗包括导通损耗和开关过程中的能量损耗，开关速度慢会导致更多的能量损耗，进而影响效率。在高频应用中，MOSFET的开关速度直接影响电源的效率、噪声水平、功率密度和系统的热管理能力。尤其是在开关电源(SMPS)、无线通信、电动工具等领域，开关速度对于提升系统的整体性能至关重要。开关电源(SMPS)：在开关电源设计中，MOSFET的开关速度对电源的转换效率至关重要。较快的开关速度意味着更少的开关损耗，这直接提升了电源的效率。高频开关电源工作频率通常在100kHz至1MHz范围内，在此频段内，MOSFET的开关速度要求极高，以便更快地完成开关操作，减少能量损耗。

无线通信：在无线通信系统中，MOSFET广泛应用于RF放大器、调制解调器和射频电路。MOSFET的开关速度决定了信号的响应速度。若MOSFET的开关时间较长，可能导致信号失真或延迟，影响通信质量。因此，在高频应用中，MOSFET的响应速度必须非常快。电动工具与逆变器：在高频逆变器应用中，MOSFET的开关速度决定了电能转换的效率。过慢的开关速度会导致逆变器输出不稳定，产生过多的热量，并增加系统的电磁干扰(EMI)。因此，快速开关的MOSFET在这些应用中是关键组件。

效率提升：MOSFET的开关速度越快，开关损耗越低，系统效率就越高。在高频应用中，由于高开关频率和快速开关状态的要求，快速开关MOSFET能有效减少导通时的能量损耗，优化系统效率。热管理优化：开关速度慢的MOSFET在导通和关断期间会产生更大的热量，导致热积累，从而影响系统的热管理。快恢复MOSFET在高频开关中的优势尤为显著，因为其较小的开关损耗可以有效减少热量的产生，提高系统的稳定性。

电磁干扰(EMI)：MOSFET的开关速度也直接影响电磁干扰(EMI)水平。开关速度较慢的MOSFET可能会产生较大的电流脉冲，增加电磁噪声。而快速开关的MOSFET能减少开关过程中产生的过渡波形，降低系统的EMI水平。系统稳定性与控制：在一些要求高精度控制的应用中，MOSFET的开关速度直接影响系统的动态响应。如果开关速度较慢，可能导致反馈系统的滞后，影响控制精度，降低系统的稳定性。选择低Qg(门极电荷)器件：选择具有较低Qg的MOSFET能够加快开关速度。低Qg的MOSFET能减少开关时的驱动电流要求，提高驱动电路的效率和响应速度。

那么，如何实现MOS管的快速开启和关断呢?关键在于 缩短GS电压的上升和下降时间。具体来说，如果能在更短的时间内将GS电压从0提升至开启电压，或者从开启电压降低至0V，那么MOS管的开启和关断速度将得到显著提升。为了达到这一目的，需要给MOS管的栅极提供更大的瞬间驱动电流。然而，常用的PWM芯片直接驱动MOS或经过三极管放大后驱动的方法，在瞬间驱动电流方面存在明显不足。相比之下，专为MOSFET设计的驱动芯片，如TC4420，能提供大得多的瞬间输出电流，并且兼容TTL电平输入，成为更合适的选择。这类驱动芯片的内部结构也进行了优化，能够更好地满足快速驱动的需求。

在MOS驱动电路中，由于驱动线路存在寄生电感，而这一电感与MOS管的结电容共同构成了一个LC振荡电路。若直接将驱动芯片的输出端与MOS管的栅极相连，那么在PWM波的上升和下降沿会产生剧烈的震荡，这可能导致MOS管过度发热甚至发生爆炸。为解决此问题，通常会在栅极串联一个约10欧的电阻，以降低LC振荡电路的Q值，从而加速震荡的衰减。此外，由于MOS管的栅极具有高输入阻抗特性，微小的静电或干扰都可能导致其误导通。因此， 建议在MOS管G极和S极之间并联一个10K的电阻，以降低其输入阻抗。若担心周边功率线路上的干扰可能耦合产生瞬间高压而击穿MOS管，可以在GS之间再并联一个约18V的TVS瞬态抑制二极管。

设计MOS管驱动电路时， 布线是一个至关重要的环节。合理的布线能够确保电路的稳定性和可靠性，从而避免潜在的问题。以下是MOS管驱动电路布线设计的一些关键要点：首先，要确保驱动线路的布局尽可能简洁且直接，以最小化寄生电感的影响。其次，要注意驱动线路的阻抗匹配。在布线过程中，应合理选择导线材料和尺寸，以降低线路阻抗，从而减少信号反射和损耗。同时，还要确保驱动芯片与MOS管之间的连接尽可能紧密和可靠，以最大化传输效率。此外，还要考虑周边功率线路上的干扰问题。在布线时，应尽量将敏感信号线路与其他可能产生干扰的线路隔离开来，以降低潜在的干扰影响。同时，可以采取适当的措施，如增加屏蔽层或使用滤波器等，来进一步增强电路的抗干扰能力。在驱动MOS管时，通过在栅极串联电阻可以有效抑制GS间的振荡。然而，在追求更快的关断速度时，我们需要在电阻两侧并联二极管来增强效果。

MOS管是电压控制型器件，无论是开启还是关闭，栅源之间主要流过的是极小的漏电流。因此，通过控制对电容的充放电过程，即可实现对MOS管的开关控制。MOS管开启时，由于G极和S极间存在结电容，当GS间电压从0增加到开启电压时，结电容会逐渐充电。这一过程需要一定时间，因此开启速度受限于结电容的充电速度。若提供更大的瞬间驱动电流，可加速充电过程，从而提升开启速度。充放电过程中，电阻R和电容C组成的电路，即RC电路，表现出先快速充电后逐渐减缓的特点

在MOS管中，我们常提及一个关键值——VGSth，简称VGT，这是其开启阈值电压(不同MOS管的值可能不同)，通常在2-4V范围内。以2V为例，当MOS管开启后，其电压会逐渐上升至12V，并在充电速度减缓后开始关断过程。

现在，我们了解到MOS管从充电开启后的2V逐渐上升到完全打开的12V。然而，在仅靠RC电路的自然关断过程中，从12V下降到2V所需的时间相对较长。在开启状态下，由于充电速度先快后慢，开启时间相对较短且速度较快，因此无需加速开启。相反，在MOS管放电过程中，由于存在较大的电压差值(如10V)，为提高开关速度和效率，减少功率损耗，我们需要在驱动电路中并联一个二极管来实现加速关断。回顾前文，栅极串联电阻的主要作用是减少振荡。然而，电阻的存在也会降低关断速度。因此，通过并联二极管可以有效提升放电速度。但请注意，并非所有驱动系统都需要加二极管，具体是否添加应根据实际应用情况来决定。