SciTech-EECS-Power-FET: $\large \text{Static characteristics}$ + $\large V_{GS} 与 V_{DS}$决定四工作区 + FET适配MCU或TTL信号 + $\large V_{GS}$振荡消除 + 分立驱动(单BJT升压 或 双BJT推挽扩流) 或专用驱动(如UC3842) + Infineon产MOSFET示例

SciTech-EECS-Power-FET: \(\large V_{GS} 与 V_{DS}\)决定四工作区(关断|变阻|恒流|击穿) + FET适配(升压+扩流)驱动电路 + 分立电路(单三极管升压 或 双三极管推挽扩流) 或专用驱动芯片(如UC3842) + MOSFET产品 Rds=1.1mΩ, Vds=30V, Id=230A的Infineon产MOS FET示例

FET由\(\large V_{GS} 与 V_{DS}\)决定的"四个工作区":

注意: FET虽是"压控型器件", 但 "开启和关断速度"受 FET结电容 \(\large C_{GS}\)、\(\large C_{GD}\) 的"充放电速度"影响。因此"\(\large I{G}\)(驱动电流)必须保障一定的大小(查Datasheet)"。

• \(\large V_{GS} <= V_{GS(th)}\) 时，FET的"D-S沟道关断态", \(\large V_{DS}\)无作用。
• \(\large V_{GS} > V_{GS(th)}\) 时，FET的"D-S沟道导通态"(即使 \(\large V_{DS}=0,\ I_{d}=0\))。
  • \(\large \bf{ V_{DS} < ( V_{GS} - V_{GS(th)} ) }\) 为“非饱和: 可变电阻区”
    
    \(\large V_{GS}\)一定时, \(\large \bf{ R_{DS} }\ 几乎不因\ V_{DS}\ 而变化\), \(\large I_{d}与V_{DS}是线性关系\)(恒阻特性)
  • \(\large \bf{ V_{DS} > ( V_{GS} - V_{GS(th)} ) }\) 为“饱和: 恒定电流区”
    
    \(\large V_{GS}\)一定时, \(\large \bf{ I_{d} }\ 几乎不因\ V_{DS}\ 而变化\), \(\large R_{DS}与V_{DS}是线性关系\)(恒流特性)
• 击穿区 : \(\large \bf{ V_{DS} > V_{V(BR)DSS} }\).

注意上图:

1. 参数变量是\(\large V_{GS}/V\), 横轴为\(\large V_{DS}/V\), 纵轴为\(\large I_{D}/mA\).
2. \(\large \bf{ V_{GS} > V_{DS} } \text{ 是官方允许的 }\)。而且FET工作在"可变电阻区时"要求这一点。
   
   Infineon官方Datasheet原句.

FET四个区域详解

后文 和 "原厂商的Datasheet" 用 \(\large V_{(BR)DSS}\) 表示 "Drain-source breakdown voltage"

• 击穿区 : \(\large \bf{ V_{DS} > V_{V(BR)DSS} }\),
  
  图上“'击穿区(虚线)'右边的区域”。随\(\large V_{DS}\)不断增大，PN结因超大反向电压而击穿，\(\large I_{d}\)急增。
  
  工作时应避免FET管工作在击穿区。
• Safe Operating Area:
  
  \(\large \begin{array}{lllll} \bf{ V_{GS(th)min} } & \bf{<} & \bf{V_{GS}} & \bf{<} & \bf{V_{(BR)DSS}} \\ \bf{V_{GS(th)max}} & \bf{<} & \bf{V_{DS}} & \bf{<} & \bf{V_{(BR)DSS}} \end{array}\)
  • 截止区，\(\large V_{GS} <= V_{GS(th)}\), "G-S极电压" 小于 "导通阀值".
    
    图上 "靠近横轴的区域"，其沟道被全部夹断(全夹断)，\(\large I_{d}=0\), MOS管关断。
  • 可变电阻区(非饱和区): \(\large \bf{ V_{GS} } > V_{GS(th)},\ \bf{ V_{DS} < ( V_{GS} - V_{GS(th)} ) }\)
    
    注意: 此时 \(\large\ \bf{ V_{DS} } < ( V_{GS} - V_{GS(th)} ) \bf{ < V_{GS} }\)
    
    图上 “'预夹断轨迹(虚线)'左边的区域”, 其沟道已开启(因为 \(\large \bf{ V_{GS} } > V_{GS(th) })\)。
    
    \(\large V_{DS}\) 值较小(\(\large \bf{ V_{DS} < ( V_{GS} - V_{GS(th)} ) }\)), \(\large R_{GS}(沟道电阻)\)仅受\(\large V_{GS}\)控制。
    
    "FET的D与S两极"等效于 "一个受\(\large V_{GS}\)控制" 的 "可变电阻\(\large R_{DS}\)"。
    
    FET的导通态(ON)"可变电阻区"近似为 "一组斜率大的直线" :
    • Vgs(栅极-源极电压)变化，Rds(漏极-源极电阻)会改变
    • Vgs(栅极-源极电压)稳定，Rds几乎也不变. \(\large I_{d}\) 与 \(\large V_{DS}\) 成 "线性关系"。
    • Vgs(栅极-源极电压) 升高，Rds内阻变小。
      
      一个\(\large V_{GS}\)取值 对应"一条倾斜直线". \(\large V_{GS}\)升高, \(\large I_{d}\)越大，曲线位置越高.
  • 恒流区(饱和区): \(\large \bf{ V_{GS} } > V_{GS(th) },\ \bf{ V_{DS} > ( V_{GS} - V_{GS(th)} ) }\),
    
    图上“'预夹断轨迹(虚线)'右边”、“'击穿区(虚线)'左边”的区域,
    
    放大电路 工作区域(也称 放大区、有源区)。\(\large I_{d}\)几乎不受V_{DS}影响.
    
    . FET的导通态(ON)"恒流区"近似为 "一组斜率几乎为0的直线", 在该区:
    • \(\large V_{GS}\)一定时, \(\large I_{d}\) 几乎不随 \(\large V_{DS}\)而变化，呈恒流特性。
    • \(\large I_{d}\) 仅受 \(\large V_{GS}\) 控制, D、S 相当于 "一个\(\large V_{GS}\)控制" 的 "电流源"。

FET的\(\large V_{GS}\)(栅极驱动电压)波形振荡消除

• FET的\(\large V_{GS}\)(栅极驱动电压)波形振荡 的原因:
  
  FET 的G-S两极总存在 结电容(Datasheet上都会给出)，
  
  PCB 上的铜箔布线 总存在 等效电感。
  
  形成LC 振荡电路，于是潜在可能引发FET的 \(\large V_{GS}\)(栅极驱动电压)波形振荡。
• 如何消除 FET的\(\large V_{GS}\)(栅极驱动电压)波形振荡
  
  在FET的G极串接一个 "电阻" 作“阻抗耦合适配”产生适度阻尼防止振荡。
  
  耦合电阻的阻值选用要适当，不能过大或过小。
  
  耦合电阻过大，产生过阻尼现象，则使\(\large V_{GS}\)驱动信号由方波起变形。
  
  耦合电阻过小，产生欠阻尼现象，则使\(\large V_{GS}\)驱动信号由方波起振荡。

FET"适配(升压+扩流)驱动"两种常用方案:

使用"专用驱动芯片";

"专用驱动芯片"的选用,决定于"MOSFET"需要的"\(\large V_{GS} 与 I_{G}\)(驱动电压 与 电流, 查Datasheet.)

如UC3842的Totem Pole输出1A的驱动电流。

通过"推挽电路"适配(升压 + 扩流)驱动

最简推挽	驱动FET 防上Vgs过压	防止Vgs振荡 并快速关断FET	适配TTL(5.0/3.3V)电平 如MCU与数字信号

电路分析	低电平	高电平
12V推挽电路 驱动FET
TTL(MCU,5.0/3.3V)电路 驱动FET

通过"分立电路"适配(升压 + 扩流)驱动

• 单三极管 "升压式适配": MCU 或 OpAmp 用 三极管适配 驱动 高Vgs电压的MOS管
  
  

  • 下图电路解析:
    
    当I/O为电平时,三极管导通 ,拉低MOS管G极, 30V电源不导通;
    
    当I/O为低电平时, 三极管不导通, 拉高MOS管栅极, 30V电源导通.
  • 电路必要性:
    
    MCU的GPIO( 或OpAmp输出) 电压(3.3V,5V) 无法直接控制(无法打开或关断)MOS管,
    
    通过三极管适配能驱动M0S管带 大负载。
  • 问题: 那个小电容是做什么的?

• 双三极管推挽"扩流式适配": 提高电路响应速度和效率。
  
  FET虽是"压控型器件", 但“开启和关断速度”受 FET结电容 \(\large C_{GS}\)、\(\large C_{GD}\) 的影响。
  
  当"\(\large I{G}\)(驱动电流) 过小"时, MOSFET的开关速度慢,
  
  因为此时 MOSFET结电容 \(\large C_{GS}\)、\(\large C_{GD}\) 的"充放电速度变慢"。
  
  

完整的推挽电路 适配MCU/数字逻辑信号 并驱动 FET管:

实例MOS FET

https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-BSC011N03LSI-DataSheet-v02_04-EN.pdf?fileId=db3a30433072cd8f013097dfdcc22f66

Infineon产BSC011N03LSI, 30V, OptiMOS Power-MOSFET Features:

Optimized for high performance SMPS

Table1 BSC011N03LSI 30V Key Performance Parameters

Parameter Value	Unit
Vds	30 V
Rds(on),max	1.1 mΩ
Id	230 A
Qoss	45 nC
Qg(0V..10V)	68 nC

重要参数:

半导体产商全面的设计与测量好FET原理、应用场景、参数;

以下是“Datasheet”的摘要:

1.温度特性:

温度会全面影响FET的重要参数**;

Diagram 1: Power Dissipation(功率使用) 的温度特性

• Ptot作为Tc的函数，Tc为自变量。
• 额定温度区: MOSFET的Ptot(总功率), 大概在0゜~28゜, 会是(设计的)稳定Ptot输出。
• 温度升高到大于额定温度区上界时，会使Ptot(总输出功率)降低。
  
  Ptot随Tc继续升高而线性降低, 直到Tc大概为150゜时，Ptot为0;

Diagram 2: Id(Drain Current, 漏极总电流) 的温度特性

• Id(漏极总电流)作为Tc的函数，Tc为自变量, Vgs>=10V作为条件变量。
• 额定温度区: 大概在0゜~28゜,MOSFET的Id 会(设计的)稳定可输出大约230.0A。
• 温度升高到大于额定温度区上界时，会使Id(漏极总电流)变小。
  
  Id(漏极总电流)随Tc继续升高而加速降低，直到Tc大概为150゜时，Id为0;
  
  即因为Tc继续升高, 加速提升MOS管发热功率, 使"有效功率加速降低。

2. 输出特性(Vgs作参数驱动) + Rds(导通态电阻)(Vgs作参数驱动)

Diagram 5: 输出特性(Vgs作参数驱动)

• 温度在25゜(近似室温)摄氏度时的工作特性图;
• Id(漏极总电流)作为Vds(漏极-源极电压)的函数，Vds为自变量, Vgs作为参数变量，Tj=25゜作条件变量。
• 区: MOSFET的Id(漏极总电流), 大概在0゜~28゜, 会(设计的)稳定可输出大约230.0A。
• 温度升高到大于额定温度区上界时，会使Id(漏极总电流)变小。
  
  Id(漏极总电流)随Tc继续升高而加速降低，直到Tc大概为150゜时，Id(漏极总电流)为0;
  
  即因为Tc继续升高，而加速提升MOSFET发热功率，或会使"MOSFET有效功率加速降低。
• 允许Vgs(栅极-源极电压)大于Vds(漏极-源极电压)的;

Diagram 6: Rds(D-S的导通态电阻(Vgs作参数驱动)

• 温度在25゜(近似室温)摄氏度时的工作特性图;
• MOSFET的导通态(ON)可变电阻区:
  • 当Vgs稳定时，Rds几乎也不变, 如图 5V <Vgs <10 时。
  • Vgs变化，Rds(漏极-源极电阻)会改变.
  • 当Vgs升高电压，Rds内阻变小。

3. Diagram 7: Typ. transfer characteristics: 典型转移特性

• 温度在25゜(近似室温)摄氏度时的工作特性图;
• Id(漏极总电流)作为Vgs(栅极-源极电压)的函数，Vgs为自变量,
  
  Tj作参数变量，条件是 |Vds| > 2 × |Id| × RDS(on)max;
• 当Tj=25゜(近似常温for正常工作)时,
  • Id关断(OFF-state欠压关闭)区: MOSFET的Id(漏极总电流)为0,
    
    Id关断区为0<Vgs<2.0V，当Tj=25゜时,
  • Id导通(ON-State可变电阻)区: MOSFET的Id(漏极总电流)>0，
    
    Id导通区为2.0V=<Vgs<3.3V，当Tj=25゜时,
  • Id恒流区(ON-State饱合): MOSFET的Id(漏极总电流)>0，
    
    Id恒流饱合区为3.3V=<Vgs<3.4V，当Tj=25゜时,
  • Id击穿区过压(OFF-State): MOSFET的Id(漏极总电流)=0，
    
    Id击穿(过压)区为3.4V=<Vgs，当Tj=25゜时,
• 当Tj=150゜(近似极限温度for稳定工作)时,
  • Id关断(OFF-state)区: MOSFET的Id(漏极总电流)为0,
    
    Id关断区为0<Vgs<2.0V，当Tj=150゜时,
  • Id导通(ON-State)可变电阻区: MOSFET的Id(漏极总电流)>0，
    
    Id导通区为1.8V=<Vgs<3.3V，当Tj=150゜时,
  • Id恒流(ON-State)饱合区: MOSFET的Id(漏极总电流)>0，
    
    Id导通区为3.3V=<Vgs<3.5V，当Tj=150゜时,
  • Id过压(OFF-State)击穿区: MOSFET的Id(漏极总电流)=0，
    
    Id导通区为3.5V=<Vgs，当Tj=150゜时,

4.Safe Operating Area(正常工作区) 与 Max. Transient Thermal Impedance(最大瞬时热阻抗):

Table4 Static characteristics(常态特性)

Parameter	Symbol	Min.Val.	Typ.Val.	Max.Val.	Unit	Note/TestCondition
Drain-source breakdown voltage	\(\large V_{ (BR)DSS }\)	30	-	-	V	$\large V_{GS}=0V, \ I_{D}=10A $
Breakdown voltage temperature coefficient	\(\large d V_{(BR)DSS} / d T_{j}\)	-	15	-	mV/K	\(\large I_{D} =10mA \text{, referenced to 25 }^\circ C\)
Gate threshold voltage	$\large V_{GS(th)} $	1.2	-	2	V	\(\large V_{DS}=V_{GS}, I_{D}=250\mu A\)
Zero gate voltage drain current	\(\large I_{ DSS }\)	-	-	0.5	mA	\(\large T_{j}=\ 25^{\circ}C,\ V_{DS}=24V,\ V_{GS}=0V\)
Zero gate voltage drain current	\(\large I_{ DSS }\)	-	3	-	mA	\(\large T_{j}=125^{\circ}C,\ V_{DS}=24V,\ V_{GS}=0V\)
Gate-source leakage current	\(\large I_{ GSS }\)	-	10	100	nA	\(\large V_{GS}=20V,\ V_{DS}=0V\)
Drain-source on-state resistance	\(\large R_{ DS(on) }\)	-	1.2	1.5	mΩ	\(\large V_{GS}=4.5V,\ I_{D}=30A\)
Drain-source on-state resistance	\(\large R_{ DS(on) }\)	-	0.9	1.1	mΩ	\(\large V_{GS}=10V,\ I_{D}=30A\)
Gate resistance	\(\large R_{G}\)	0.3	0.6	1.2	Ω	$\large - $
Transconductance	\(\large g_{fs}\)	80	160	-	S	\(\large | V_{GS} | > 2 | I_{D} | R_{ DS(on)max },\ I_{D}=30A\)