MOS管電路設(shè)計中主要參數(shù)設(shè)計及其作用

1、MOS管的基本原理(以N溝道增強(qiáng)型為例說明)

具體結(jié)構(gòu)講解及理論分析可參見教科書，以下著重說明幾個點：

a. N溝道增強(qiáng)型MOS管的標(biāo)識圖示，其P型襯底與S極N溝道相接。

b. 圖中MOS管的DS極之間有反并聯(lián)二極管，此二極管不是單獨設(shè)計的二極管，是MOS的寄生二極管，稱為體二極管。這一點與IGBT有所區(qū)分，IGBT需要單獨設(shè)計二極管，一般為快恢復(fù)二極管。

c. 輸出特性曲線，其中可變電阻區(qū)又稱線性區(qū)，恒流區(qū)又稱飽和區(qū)，注意與三極管的輸出特性曲線劃分的區(qū)域進(jìn)行區(qū)別。

d. 將其作為開關(guān)管使用時的工作區(qū)域：關(guān)斷時在截止區(qū)，開通時在線性區(qū)工作。

e. 一般將MOS管稱為壓控器件，并不是說只加個電壓就好了，在驅(qū)動時也需要驅(qū)動電流，只是時間很短。MOS在開關(guān)過程中需要對輸入電容充放電，仍需要一定的驅(qū)動功率，開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。

2、MOS管主要關(guān)注參數(shù)及其作用

以IXYS公司的Power Mosfet-IXTK400N15X4為例

a. 最大額定參數(shù)

VDSS – 最大漏-源電壓

將柵源短接，最大漏-源電壓指漏-源未發(fā)生雪崩擊穿前所能施加的最大電壓。根據(jù)溫度的不同，實際雪崩擊穿電壓可能低于額定VDSS。

VGS – 最大柵-源電壓

指柵源兩極間可以施加的最大電壓。設(shè)定該額定電壓的主要目的是防止電壓過高導(dǎo)致的柵氧化層損傷。實際柵氧化層可承受的電壓遠(yuǎn)高于額定電壓，但是會隨制造工藝的不同而改變，因此保持VGS在額定電壓以內(nèi)可以保證應(yīng)用的可靠性。

ID25 – 連續(xù)漏電流

定義為25度時漏-源間可流過的最大連續(xù)電流。注意，其并不包含開關(guān)損耗，并且實際使用時保持管表面溫度在25度也很難。因此，硬開關(guān)應(yīng)用中實際開關(guān)電流通常小于ID25的一半，通常在1/3~1/4。如果可以估算出特定溫度下的ID，則這個值更有現(xiàn)實意義。

IDM -- 脈沖漏電流

該參數(shù)反映了器件可以處理的脈沖電流的高低，脈沖電流要遠(yuǎn)高于連續(xù)的直流電流。定義IDM的目的在于運行在可變電阻區(qū)時。對于不同的柵-源電壓，MOSFET導(dǎo)通后，存在最大的漏極電流，漏極電流的增大會提高漏-源電壓，由此增大導(dǎo)通損耗。長時間工作在大功率之下，將導(dǎo)致器件失效。

IA – 雪崩擊穿電流

當(dāng)向MOS管施加高于絕對最大額定值VDSS的電壓時，就會發(fā)生擊穿。當(dāng)施加高于VDSS的高電場時，自由電子被加速并帶有很大的能量。這會導(dǎo)致碰撞電離,從而產(chǎn)生電子空穴對。這種電子空穴對呈雪崩式增加的現(xiàn)象稱為“雪崩擊穿”。在這種雪崩擊穿期間，與MOS內(nèi)部二極管電流呈反方向流動的電流稱為“雪崩擊穿電流IA。

EAS – 雪崩擊穿能量

PD – 最大耗散功率

dv/dt – 最大電壓變化率

TJ – 工作溫度范圍

在電子電路中，MOS管驅(qū)動電路是很重要的，將直接關(guān)系到MOS管的開關(guān)速度和效率，本文將列出四個常見的MOS管柵極驅(qū)動電路，并附出四個電路圖，希望對小伙伴們有所幫助。

1、IC直接驅(qū)動型

這種電路通過電源IC直接提供驅(qū)動信號給MOS管的柵極。其結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，適用于對開關(guān)速度要求不高的場合。

但需要注意的是，如果電源IC的峰值驅(qū)動電流不足，可能會導(dǎo)致MOS管開啟速度較慢。

2、推挽輸出電路增強(qiáng)驅(qū)動

是一種增加電流供應(yīng)能力的驅(qū)動電路。它由兩個互補(bǔ)型MOSFET組成，一個是N通道MOSFET，另一個是P通道MOSFET。當(dāng)輸入信號為高電平時，N通道MOSFET導(dǎo)通，P通道MOSFET截止;當(dāng)輸入信號為低電平時，情況相反。這樣，通過兩個管的互補(bǔ)工作，推挽電路能夠快速完成柵極電容的充電過程，增強(qiáng)驅(qū)動能力。

3、驅(qū)動電路加速MOS管的關(guān)斷

在關(guān)斷的瞬間，驅(qū)動電路加速MOS管的關(guān)斷電路能夠提供低阻抗的通路，使MOS管的柵極和源極之間的電容快速放電。

該圖顯示的是一種常見的加速關(guān)斷電路，它利用三極管釋放GS電容的電荷，實現(xiàn)最短時間內(nèi)的放電，從而最大限度地減小關(guān)斷時的交叉損耗。

4、變壓器驅(qū)動電路加速MOS管的關(guān)斷

為了滿足驅(qū)動高邊MOS管的要求，通常使用變壓器驅(qū)動電路。這種電路不僅可用于驅(qū)動高邊MOS管，還可以實現(xiàn)安全隔離。變壓器驅(qū)動器通過變壓器變換電壓和電流，以提供足夠的驅(qū)動能力。

在電路中，R1用于抑制PCB板上的寄生電感，與C1形成LC振蕩，其設(shè)計作用是隔離直流、通過交流，避免磁芯飽和。

電子工程師一般認(rèn)為MOSGUAN 是通過電壓驅(qū)動的，不需要驅(qū)動電流。然而，就在MOS管的G S兩級之間有結(jié)電容存在，也正是這個電容讓驅(qū)動MOS變的神秘莫測。

MOS管如果不考慮紋波和EMI等要求的話，MOS管開關(guān)速度越快越好，因為開關(guān)時間越短，開關(guān)損耗越小，而在開關(guān)電源中開關(guān)損耗占總損耗的很大一部分，因此MOS管驅(qū)動電路的好壞直接決定了電源的效率。 對于一個MOS管，如果把GS之間的電壓從0拉到管子的開啟電壓所用的時間越短，那么MOS管開啟的速度就會越快。與此類似，如果把MOS管的GS電壓從開啟電壓降到0V的時間越短，那么MOS管關(guān)斷的速度也就越快 由此我們可以知道，如果想在更短的時間內(nèi)把GS電壓拉高或者拉低，就要給MOS管柵極更大的瞬間驅(qū)動電流。 大家常用的PWM芯片輸出直接驅(qū)動MOS或者用三極管放大后再驅(qū)動MOS的方法，其實在瞬間驅(qū)動電流這塊是有很大缺陷的。 比較好的方法是使用專用的MOS管驅(qū)動芯片如TC4420來驅(qū)動MOS管，這類的芯片一般有很大的瞬間輸出電流，而且還兼容TTL電平輸入，MOS管驅(qū)動芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

一文詳解MOS管驅(qū)動電路的核心設(shè)計「建議收藏」

二、MOS管驅(qū)動電路注意事項：

因為驅(qū)動線路走線會有寄生電感，而寄生電感和MOS管的結(jié)電容會組成一個LC振蕩電路，如果直接把驅(qū)動芯片的輸出端接到MOS管柵極的話，在PWM波的上升下降沿會產(chǎn)生很大的震蕩，導(dǎo)致MOS管急劇發(fā)熱甚至爆炸，一般的解決方法是在柵極串聯(lián)10歐左右的電阻，降低LC振蕩電路的Q值，使震蕩迅速衰減掉。 因為MOS管柵極高輸入阻抗的特性，一點點靜電或者干擾都可能導(dǎo)致MOS管誤導(dǎo)通，所以建議在MOS管G S之間并聯(lián)一個10K的電阻以降低輸入阻抗如果擔(dān)心附近功率線路上的干擾耦合過來產(chǎn)生瞬間高壓擊穿MOS管的話，可以在GS之間再并聯(lián)一個18V左右的TVS瞬態(tài)抑制二極管，TVS可以認(rèn)為是一個反應(yīng)速度很快的穩(wěn)壓管，其瞬間可以承受的功率高達(dá)幾百至上千瓦，可以用來吸收瞬間的干擾脈沖。