为什么MOSFET的开关速度有限？(未完结，起始日期2023年11月20日)
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；三来对辅助器件需求也能下降。
MOSFET结构和特性
MOSFET的结构如下：
MOSFET的等效电路图如下：
为什么MOSFET的等效电路图中包括了电容？
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。
MOSFET杂散电容值的大小关系和数量级影响？
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。
为什么米勒效应限制了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。
为什么我们要限制驱动电流来人为限制开关速度？
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，我们可以得到瞬时开关。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。
有以下原因使我们必须要人为限制开关速度，解决这些问题就能在一定程度上解决MOSFET开关速度不够快的问题。
- 电容分压带来误导通
- 栅极杂散电感LC环路震荡，会引发误导通
- 高di/dt使源极杂散电感降低源极电压引发误导通
- 非理想电源需要并联电容以抵抗大电流带来的电压下降问题
- EMI问题
- 体二极管反向恢复引发的负向电流问题
- 热温升限制
接下来本文将配合LTspice仿真和理论分析分别介绍他们的原因和影响。在一个输入400V输出50V功率0-2kW的硬开关半桥型Buck分析MOSFET开关速度受限的各原因和结果。
Buck的拓扑
Buck的参数和器件选型
| 名称 | 数值 |
|---|---|
| \(V_{in}\) | 400V |
| \(V_{out}\) | 50V |
| \(P\) | 2kW |
| \(I_{in}\) | 0~5A |
| \(I_{out}\) | 0~40A |
| \(L\) | |
| \(C_o\) | |
| \(R_o\) | 1.25\(\Omega\)~\(\infty\) |
| 名称 | 型号（datasheet） |
|---|---|
| MOSFET | IPW60R045P7 |
电容分压带来误导通
什么电容分压带来什么误导通？
首先，我们需要搞明白是什么电容分压会导致误导通问题。
MPS的Webniar Driving Power MOSFETs的18：20s讲述了电容分压带来的误导通问题。如图所示，当电压\(V_{DS}\)陡然上升时，电容\(C_{gs}\)和电容\(C_{gd}\)串联分压，使得\(V_{gs}\)在瞬间电压超过\(V_{th}\)，开关管误导通，电流\(I_D\)不再为0。
值得注意的是，绿色的电流\(I_D\)在\(V_{DS}\)陡然增加的时候由于瞬间给MOSFET的三个杂散电容\(C_{gs}，C_{gd}，C_{ds}\)充电，存在一个高电流冲激。
这个例子展示了即使\(V_{gs}\)没有受到驱动控制，仍受外界影响抬高了电压，存在误导通问题。
在实际半桥使用中，从上管导通切换成下管导通时，会经历一个先关闭上管，经过死区时间，再导通下管的过程。当关闭上管时，电流从上管流动转为从下管的体二极管流动，再导通下管，再转为从下管的MOSFET流动。
如果泄放驱动电流过大，上管的电压\(V_{DS}\)从0到\(V_{in}\)的变化过程过快，会使得上管重新误导通。具体的过程如图所示。