MOS管驅(qū)動電阻器及MOS管柵極尖峰電壓的防護分析-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2020-03-06
本文主要講MOS管驅(qū)動電阻器及MOS管柵極尖峰電壓的防護分析。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、馬達控制、繼電器控制、LED照明等。應(yīng)用中，MOS管相當(dāng)于一個開關(guān)，漏極和源極之間還有一個寄生二極管，也稱作體二極管。所以，MOS管的驅(qū)動比較復(fù)雜。
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，電流通過時就會消耗一定的能量——導(dǎo)通損耗。在器件選型時，我們都會選擇導(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兩端的電壓有一個下降的過程，流過的電流有一個上升的過程，在這段時間內(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。因為，導(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，可以通過縮短開關(guān)時間、降低開關(guān)頻率兩種方法來減小開關(guān)損耗。其中，縮短開關(guān)時間可以減小每次導(dǎo)通時的損失，降低開關(guān)頻率可以減小單位時間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。
由于MOS管的GS、GD之間存在寄生電容，驅(qū)動MOS管實際上就是對這些電容進行充放電。同時，MOS管柵極電阻器也很重要。應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)碾娮柚?，因為它會影響開關(guān)速度，進而影響MOS管的開關(guān)損耗。
VGS對于MOS管柵極驅(qū)動非常重要。MOS管在線性區(qū)（即電壓低于夾斷電壓）中運行時，其導(dǎo)通電阻較低。因此對于開關(guān)應(yīng)用，可以在低VDS區(qū)中使用MOS管來降低導(dǎo)通電阻。
當(dāng)MOS管的柵極電壓VGS超過其閾值電壓Vth時，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值會增大高頻開關(guān)情況下驅(qū)動損耗對總損耗的比率。因此必須選擇最佳的MOS管和柵極驅(qū)動電壓，常用MOS管的導(dǎo)通電壓Vth為4V或10V。
一般來說，MOS管的柵極端子上連接一個電阻器。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)熱問題。
MOS管柵電阻器的選擇
相反，較小的柵極電阻器會提高MOS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，或通過調(diào)節(jié)柵極電阻器值來優(yōu)化MOS管開關(guān)速度，有時會使用不同的柵極電阻器來開通和關(guān)斷MOS管。
在MOS管的柵極和源極之間外接一個齊納二極管，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
MOS管的一大問題在于其漏柵電容會導(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，可能會發(fā)生自開通。如果在二極管反向恢復(fù)期間對處于關(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電容器，二是將關(guān)斷柵極電壓驅(qū)動到負值，避免其超過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，通過在相關(guān)MOS管的柵極和源極之間添加另一個MOS管來實現(xiàn)短路。
雖然驅(qū)動電路較雙極性晶體管復(fù)雜，MOS管獨特的開關(guān)特性是任何器件都無法替代的，人們還一直在把MOS管從開關(guān)電源、馬達驅(qū)動、照明調(diào)光向汽車電子、新能源電力等應(yīng)用推廣。面對新的應(yīng)用，設(shè)計時當(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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