MOS管驅動(dòng)電阻器及MOS管柵極尖峰電壓的防護分析-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2020-03-06
本文主要講MOS管驅動(dòng)電阻器及MOS管柵極尖峰電壓的防護分析。與常規雙極晶體管不同，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(kāi)關(guān)電源、馬達控制、繼電器控制、LED照明等。應用中，MOS管相當于一個(gè)開(kāi)關(guān)，漏極和源極之間還有一個(gè)寄生二極管，也稱(chēng)作體二極管。所以，MOS管的驅動(dòng)比較復雜。
MOS管的導通相當于開(kāi)關(guān)閉合。不管是NMOS還是PMOS，導通后都有導通電阻存在，電流通過(guò)時(shí)就會(huì )消耗一定的能量——導通損耗。在器件選型時(shí)，我們都會(huì )選擇導通電阻小的MOS管。目前，小功率MOS管導通電阻一般在幾十毫歐左右，有的只有幾毫歐。
MOS管及導通電阻與VGS和溫度的關(guān)系
就開(kāi)關(guān)速度而言，MOS的導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，MOS管的損耗是電壓和電流的乘積，叫做開(kāi)關(guān)損耗。
通常，開(kāi)關(guān)損耗比導通損耗大得多，而且開(kāi)關(guān)頻率越快，損耗也越大。因為，導通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損耗也就很大。
應用中，可以通過(guò)縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間、降低開(kāi)關(guān)頻率兩種方法來(lái)減小開(kāi)關(guān)損耗。其中，縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間可以減小每次導通時(shí)的損失，降低開(kāi)關(guān)頻率可以減小單位時(shí)間內的開(kāi)關(guān)次數。
由于MOS管的GS、GD之間存在寄生電容，驅動(dòng)MOS管實(shí)際上就是對這些電容進(jìn)行充放電。同時(shí)，MOS管柵極電阻器也很重要。應選擇適當的電阻值，因為它會(huì )影響開(kāi)關(guān)速度，進(jìn)而影響MOS管的開(kāi)關(guān)損耗。
VGS對于MOS管柵極驅動(dòng)非常重要。MOS管在線(xiàn)性區（即電壓低于夾斷電壓）中運行時(shí)，其導通電阻較低。因此對于開(kāi)關(guān)應用，可以在低VDS區中使用MOS管來(lái)降低導通電阻。
當MOS管的柵極電壓VGS超過(guò)其閾值電壓Vth時(shí)，MOS管開(kāi)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前使用的電流水平下的電阻，從而降低穩態(tài)損耗。
相反，高VGS值會(huì )增大高頻開(kāi)關(guān)情況下驅動(dòng)損耗對總損耗的比率。因此必須選擇最佳的MOS管和柵極驅動(dòng)電壓，常用MOS管的導通電壓Vth為4V或10V。
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(kāi)關(guān)速度，從而導致功率損耗增大，性能降低以及出現潛在的發(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(kāi)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)調節柵極電阻器值來(lái)優(yōu)化MOS管開(kāi)關(guān)速度，有時(shí)會(huì )使用不同的柵極電阻器來(lái)開(kāi)通和關(guān)斷MOS管。
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
MOS管的一大問(wèn)題在于其漏柵電容會(huì )導致出現寄生開(kāi)通（自開(kāi)通）現象。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。如果出現這種情況，可能會(huì )發(fā)生自開(kāi)通。如果在二極管反向恢復期間對處于關(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(kāi)通。
用于防止MOS管自開(kāi)通現象的米勒箝位電路
要防止自開(kāi)通現象，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)斷柵極電壓驅動(dòng)到負值，避免其超過(guò)Vth。第三種方法是采用米勒箝位電路的開(kāi)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)現短路。
雖然驅動(dòng)電路較雙極性晶體管復雜，MOS管獨特的開(kāi)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(kāi)關(guān)電源、馬達驅動(dòng)、照明調光向汽車(chē)電子、新能源電力等應用推廣。面對新的應用，設計時(shí)當然需要有一定的余量，并綜合考量MOS管的內部結構和應用環(huán)境和發(fā)展潛力。
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