MOS管驅(qū)動(dòng)電阻器及MOS管柵極尖峰電壓的防護(hù)分析

本文主要講MOS管驅(qū)動(dòng)電阻器及MOS管柵極尖峰電壓的防護(hù)分析。與常規(guī)雙極晶體管不同，MOS管是電壓控制型器件，一般用于小電壓控制大電流的情況，包括開關(guān)電源、馬達(dá)控制、繼電器控制、LED照明等。應(yīng)用中，MOS管相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)，漏極和源極之間還有一個(gè)寄生二極管，也稱作體二極管。所以，MOS管的驅(qū)動(dòng)比較復(fù)雜。

MOS管損耗

MOS管的導(dǎo)通相當(dāng)于開關(guān)閉合。不管是NMOS還是PMOS，導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在，電流通過(guò)時(shí)就會(huì)消耗一定的能量——導(dǎo)通損耗。在器件選型時(shí)，我們都會(huì)選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管。目前，小功率MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾十毫歐左右，有的只有幾毫歐。

MOS管及導(dǎo)通電阻與VGS和溫度的關(guān)系

就開關(guān)速度而言，MOS的導(dǎo)通和截止一定不是瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個(gè)下降的過(guò)程，流過(guò)的電流有一個(gè)上升的過(guò)程，在這段時(shí)間內(nèi)，MOS管的損耗是電壓和電流的乘積，叫做開關(guān)損耗。

通常，開關(guān)損耗比導(dǎo)通損耗大得多，而且開關(guān)頻率越快，損耗也越大。因?yàn)椋瑢?dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損耗也就很大。

應(yīng)用中，可以通過(guò)縮短開關(guān)時(shí)間、降低開關(guān)頻率兩種方法來(lái)減小開關(guān)損耗。其中，縮短開關(guān)時(shí)間可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失，降低開關(guān)頻率可以減小單位時(shí)間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。

選擇最佳的柵極電壓VGS

由于MOS管的GS、GD之間存在寄生電容，驅(qū)動(dòng)MOS管實(shí)際上就是對(duì)這些電容進(jìn)行充放電。同時(shí)，MOS管柵極電阻器也很重要。應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)碾娮柚?，因?yàn)樗鼤?huì)影響開關(guān)速度，進(jìn)而影響MOS管的開關(guān)損耗。

VGS對(duì)于MOS管柵極驅(qū)動(dòng)非常重要。MOS管在線性區(qū)（即電壓低于夾斷電壓）中運(yùn)行時(shí)，其導(dǎo)通電阻較低。因此對(duì)于開關(guān)應(yīng)用，可以在低VDS區(qū)中使用MOS管來(lái)降低導(dǎo)通電阻。

當(dāng)MOS管的柵極電壓VGS超過(guò)其閾值電壓Vth時(shí)，MOS管開通。因此，VGS必須明顯高于Vth。而且，VGS越高，RDS(ON)值就越低；溫度越高，RDS(ON)值也就越高。為了減少損耗，必須增大VGS從而最大限度減小器件在當(dāng)前使用的電流水平下的電阻，從而降低穩(wěn)態(tài)損耗。

相反，高VGS值會(huì)增大高頻開關(guān)情況下驅(qū)動(dòng)損耗對(duì)總損耗的比率。因此必須選擇最佳的MOS管和柵極驅(qū)動(dòng)電壓，常用MOS管的導(dǎo)通電壓Vth為4V或10V。

柵極電阻器的選擇

一般來(lái)說(shuō)，MOS管的柵極端子上連接一個(gè)電阻器。該柵極電阻器的用途包括抑制尖峰電流并減少輸出振鈴。較大的柵極電阻器會(huì)降低MOS管的開關(guān)速度，從而導(dǎo)致功率損耗增大，性能降低以及出現(xiàn)潛在的發(fā)熱問(wèn)題。

MOS管柵電阻器的選擇

相反，較小的柵極電阻器會(huì)提高M(jìn)OS管的開關(guān)速度，易引發(fā)電壓尖峰和振蕩，從而造成器件故障和損壞。

因此，必須選擇最佳的柵極電阻器，或通過(guò)調(diào)節(jié)柵極電阻器值來(lái)優(yōu)化MOS管開關(guān)速度，有時(shí)會(huì)使用不同的柵極電阻器來(lái)開通和關(guān)斷MOS管。

尖峰電壓的防護(hù)

在MOS管的柵極和源極之間外接一個(gè)齊納二極管，可以有效防止發(fā)生靜電放電和柵極尖峰電壓。但要注意，齊納二極管的電容可能有輕微的不良影響。

MOS管柵極尖峰電壓的防護(hù)

柵極故障的預(yù)防

MOS管的一大問(wèn)題在于其漏柵電容會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)寄生開通（自開通）現(xiàn)象。關(guān)斷后，MOS管的源極和漏極之間形成陡峭的dv/dt。產(chǎn)生的電流經(jīng)由漏柵電容流到柵極，導(dǎo)致柵極電阻器中發(fā)生的電壓降提高柵極電壓。

如果dv/dt的斜率極為陡峭，則根據(jù)柵源電容與柵漏電容的比率為MOS管的柵極施加電壓。如果出現(xiàn)這種情況，可能會(huì)發(fā)生自開通。如果在二極管反向恢復(fù)期間對(duì)處于關(guān)斷狀態(tài)的MOS管施加快速變化的電壓，也可能發(fā)生自開通。

用于防止MOS管自開通現(xiàn)象的米勒箝位電路

要防止自開通現(xiàn)象，通常有三種方法：一是在柵極和源極之間添加一個(gè)電容器，二是將關(guān)斷柵極電壓驅(qū)動(dòng)到負(fù)值，避免其超過(guò)Vth。第三種方法是采用米勒箝位電路的開關(guān)器件，使MOS管的柵極與源極之間的通路發(fā)生短路，通過(guò)在相關(guān)MOS管的柵極和源極之間添加另一個(gè)MOS管來(lái)實(shí)現(xiàn)短路。

雖然驅(qū)動(dòng)電路較雙極性晶體管復(fù)雜，MOS管獨(dú)特的開關(guān)特性是任何器件都無(wú)法替代的，人們還一直在把MOS管從開關(guān)電源、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、照明調(diào)光向汽車電子、新能源電力等應(yīng)用推廣。面對(duì)新的應(yīng)用，設(shè)計(jì)時(shí)當(dāng)然需要有一定的余量，并綜合考量MOS管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和應(yīng)用環(huán)境和發(fā)展?jié)摿Α?/span>

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