MOS 选型要点（四）：阈值电压 VGS (th)、结电容与栅极电荷

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[一、阈值电压 V G S ( t h ) V_{GS(th)} VGS(th)](#一、阈值电压 V G S ( t h ) V_{GS(th)} VGS(th))
二、结电容
三、电荷量

一、阈值电压 V G S ( t h ) V_{GS(th)} VGS(th)

V G S ( t h ) V_{GS(th)} VGS(th)（Threshold Voltage，阈值电压）是指使MOS管从截止区进入线性区（欧姆区/非饱和区）所需的最小栅源电压，即沟道开始形成的临界电压。

当栅源电压 V G S V_{GS} VGS达到 V G S ( t h ) V_{GS(th)} VGS(th)时，栅极下方衬底表面会逐步生成反型层（导电沟道），漏源两端之间开始产生可检测的漏极电流 I D I_D ID。判定阈值电压的标准，一般是漏极电流 I D I_D ID流经某一极小固定电流值（典型值：250μA或1mA）时对应的栅源电压。

V G S ( t h ) V_{GS(th)} VGS(th)只是开始形成沟道的电压，并非完全导通的电压：

当 V G S V_{GS} VGS＝ V G S ( t h ) V_{GS(th)} VGS(th)：沟道刚刚形成，导通电阻 RDS(on)很大，只能流过很小电流，无法当作功率开关使用

当 V G S V_{GS} VGS ≫ V G S ( t h ) V_{GS(th)} VGS(th)（常见驱动电压：4.5V、10V ）：沟道充分开启，RDS(on) 达到最小值

实际应用要点：若要MOS管作为开关充分导通， V G S V_{GS} VGS 通常需要达到 2∼4 倍的 V G S ( t h ) V_{GS(th)} VGS(th)

1.阈值电压分类：

(1)按导电沟道类型划分

N沟道增强型： V G S ( t h ) V_{GS(th)} VGS(th)＞0 ，栅极电压必须高于源极才能导通
P沟道增强型： V G S ( t h ) V_{GS(th)} VGS(th)＜0 ，栅极电压必须低于源极才能导通

(2)按阈值电压幅值划分

低开启电压： V G S ( t h ) V_{GS(th)} VGS(th)通常 < 2V（部分低至 0.4V~1.0V），在 V G S V_{GS} VGS = 2.5V~4.5V时即可充分导通，可直接由 MCU GPIO（3.3V/5V）驱动。
高开启电压： V G S ( t h ) V_{GS(th)} VGS(th) 通常 2V~4V，需要 V G S V_{GS} VGS ≥ 10V才能充分导通，一般需要专用栅极驱动芯片或更高电压的驱动电路。

2.阈值电压温度特性

阈值电压呈负温度系数：温度升高，阈值电压下降；温度降低，阈值电压升高

高温下，MOS管导通阈值下降，更容易误导通
低温需要更高的栅极驱动电压才能开启；若驱动电压裕量不足，可能导致导通电阻 R D S ( o n ) R_{DS(on)} RDS(on)增大、导通损耗增加、发热加剧。

二、结电容

C i s s C_{iss} Ciss（输入电容）：栅极对源极的等效输入电容。测量时漏极与源极交流短接，从栅极看进去 C g s C_{gs} Cgs 与 C g d C_{gd} Cgd
并联： C i s s C_{iss} Ciss = C g s C_{gs} Cgs + C g d C_{gd} Cgd 。
C o s s C_{oss} Coss（输出电容）：漏极对源极的等效输出电容。测量时栅极与源极短接（ V G S V_{GS} VGS = 0），从漏极看进去 C d s C_{ds} Cds
与 C g d C_{gd} Cgd 并联： C o s s C_{oss} Coss = C d s C_{ds} Cds + C g d C_{gd} Cgd。
C r s s C_{rss} Crss（反向传输电容/米勒电容）：漏极与栅极之间的电容。 C r s s C_{rss} Crss = C g d C_{gd} Cgd。

结电容的测试条件一般为： V G S V_{GS} VGS = 0V、f = 1MHz、 V D S V_{DS} VDS = 某一固定电压（如 25V）。

由于结电容（尤其是 C g d C_{gd} Cgd、 C d s C_{ds} Cds）具有强烈的非线性，随 V D S V_{DS} VDS 增大而显著减小，规格书中的容值与实际工作条件下的容值往往差异很大 。由于电容的非线性，实际开关速度评估更推荐使用 Q g s Q_{gs} Qgs（栅极总电荷）和 Q g d Q_{gd} Qgd（栅漏电荷）参数，而非直接用 C i s s C_{iss} Ciss 计算。

三、电荷量

总栅极极电荷： Q G Q_G QG( t 0 t_0 t0~ t 4 t_4 t4期间的电荷量)
栅极至源极电荷： Q G S Q_{GS} QGS（ t 0 t_0 t0~ t 2 t_2 t2期间的电荷量）
栅极至漏极（米勒）电荷： Q G D Q_{GD} QGD（ t 2 t_2 t2~ t 3 t_3 t3期间的电荷量）

Q G Q_G QG 直接影响驱动损耗，栅极驱动损耗约为 P d r i v e P_{drive} Pdrive = Q G Q_G QG × V G S V_{GS} VGS × f s w f_{sw} fsw，因此它关系到驱动器的功耗和散热设计。但 Q G Q_G QG 不适合作为开关损耗的评价指标。在同等导通电阻（ R D S ( o n ) R_{DS(on)} RDS(on)）和耐压等级下，应优先选择 Q G D Q_{GD} QGD 较低的 MOS，而非仅关注 Q G Q_G QG总值。这是因为开通和关断损耗主要发生在 Q G D Q_{GD} QGD 对应的米勒平台区间。

由于结电容随电压和电流的变化而改变，因此最好通过栅极电荷数据，而非电容数据来评估开关性能。这尤其适用于 MOS 的栅极驱动器电路受限于特定驱动电流，并且要求高开关速度的情况。

我们通常根据总驱动电阻和栅极电荷来评估开关时间。由于电容是非线性的，栅极电荷是估计开关行为的一个更直观的参数。然而，根据规格书参数估算的 MOS 开关时间通常与示波器实测值不匹配，这是由于规格书中的测试条件（如 V D S V_{DS} VDS、 I d I_d Id、 V G S V_{GS} VGS、 R g ( t e s t ) R_{g(test)} Rg(test) 等）与实际应用条件存在差异。

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