簡單的MOSFET開關(guān)電路-如何打開/關(guān)閉n溝道和p溝道MOSFET

MOSFET是一種利用場效應(yīng)的晶體管。MOSFET代表金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，它有一個柵極。為了簡單起見，你可以把這個門想象成一個水龍頭你逆時針旋轉(zhuǎn)水龍頭水開始流出水龍頭，你順時針旋轉(zhuǎn)它水停止流出水龍頭。同樣，柵極電壓決定器件的導(dǎo)電性。根據(jù)這個柵極電壓，我們可以改變電導(dǎo)率，因此我們可以把它用作開關(guān)或放大器，就像我們用晶體管作為開關(guān)或放大器一樣。自20世紀(jì)80年代功率MOSFET問世以來，功率開關(guān)變得更快、更高效。幾乎所有現(xiàn)代開關(guān)電源都使用某種形式的功率mosfet作為開關(guān)元件。MOSFET因其低傳導(dǎo)損耗，低開關(guān)損耗而被首選，并且由于MOSFET的柵極由電容器制成，因此具有零直流柵極電流。因此，在本文中，我們將討論打開和關(guān)閉MOSFET的不同方法，最后，我們將查看一些實際示例，以顯示這如何影響MOSFET。

在我們之前的一篇文章中，我們討論了什么是MOSFET：它的結(jié)構(gòu)，類型和工作，如果您想了解MOSFET的基礎(chǔ)知識，可以查看。

MOSFET的基本特性

與雙極結(jié)晶體管或BJT一樣，MOSFET是一個三端器件，三個端子分別是柵極、漏極和源極，柵極控制漏極和源極之間的導(dǎo)通。

從技術(shù)上講，F(xiàn)ET本質(zhì)上是雙向的，但是功率MOSFET在硅級上構(gòu)建的方式在漏極和源極之間增加了一個寄生反并聯(lián)二極管，這使得MOSFET在電壓反轉(zhuǎn)時導(dǎo)電，這是要記住的。大多數(shù)功率MOSFET的原理圖符號繪制顯示寄生二極管

MOSFET可以被認(rèn)為是一個電壓控制的可變電阻，就像BJT晶體管可以被認(rèn)為是一個電流控制的電流源一樣。然而，與BJT一樣，該特性不是線性的，也就是說，電阻不會隨著施加的柵極電壓線性降低，如下圖所示，來自流行的IRF3205的數(shù)據(jù)表，而我們正在談?wù)搩?nèi)阻，當(dāng)涉及到內(nèi)阻時，熱量起著關(guān)鍵作用。

在大多數(shù)情況下，這并不重要，因為功率mosfet旨在用于開關(guān)應(yīng)用，盡管線性使用是可能的。當(dāng)使用MOSFET作為開關(guān)時，有幾個重要的考慮因素。

漏源擊穿電壓和漏極電流：

這取決于應(yīng)用功率mosfet的擊穿額定值低至20V，高至1200V，電流范圍從毫安到千安，整整六十年。

門閾值電壓：

這類似于常規(guī)BJT的基極-發(fā)射極電壓，但對于mosfet，該電壓沒有那么明顯的定義。雖然MOSFET可能在相對較低的電壓下導(dǎo)通，但它只能在指定的柵源電壓下承載全電流。這是要小心的事情，因為大多數(shù)mosfet被指定為10V-GS。可提供邏輯級mosfet，其指定的滿電流為4.5V。

輸入電容:

由于柵極與從漏極到源極的導(dǎo)電路徑是電隔離的，因此它形成了一個小電容器，每次MOSFET開關(guān)打開和關(guān)閉時都必須充電和放電。對于功率mosfet，該電容的范圍可以從數(shù)百皮伏特到數(shù)十納米伏特。

當(dāng)柵極電壓高于源電壓幾伏特時，n溝道m(xù)osfet導(dǎo)通，這些電壓的額定值在數(shù)據(jù)表中提到，漏源電壓以正伏特指定。電流流入漏極并流出源極。p溝道m(xù)osfet在柵極低于源極幾伏特時導(dǎo)通，漏源極電壓為負(fù)。電流流入源極，流出漏極。

簡單的MOSFET開關(guān)電路

下圖顯示了N溝道和p溝道m(xù)osfet的最簡單配置。

MOSFET柵極從電源電壓迅速充電，打開它們。但是，如果在打開MOSFET后讓柵極單獨存在呢?一旦電源從柵極移除，MOSFET仍然保持打開!

就像一個普通的電容器一樣，柵極保持其電荷，直到它被移除或通過非常小的柵極泄漏電流泄漏出去，為了擺脫這個電荷，柵極必須放電。這可以通過將柵極連接回源端來實現(xiàn)。但是如果柵極在驅(qū)動電路的作用下漂浮呢?如果雜散電荷在柵極中積累到足以使柵極電壓超過閾值，那么MOSFET就會無意中打開，這可能會損壞下游的電路。出于這個原因，在柵極和源之間看到一個下拉/上拉電阻是很常見的，每當(dāng)柵極電壓被移除時，它就會從柵極移除電荷。無論驅(qū)動類型如何，在MOSFET的柵極之間包括一個上拉/下拉電阻是很好的做法。10K是個不錯的值。

MOSFET柵極驅(qū)動與保護電路

MOSFET的柵極非常敏感，因為將柵極與溝道絕緣的氧化層非常薄。大多數(shù)功率mosfet的額定柵源電壓僅為±20V!出于這個原因，一個齊納二極管橫跨柵極是一個很好的預(yù)防措施。

由于柵極電容與引線的電感相結(jié)合，在開關(guān)時可能導(dǎo)致振鈴，這可以通過在柵極串聯(lián)上添加一個小電阻(10Ω左右)來減輕。最終的MOSFET柵極電路如下圖所示。

MOSFET的柵極通常不吸收任何電流(除了小的泄漏電流)，但當(dāng)用于開關(guān)應(yīng)用時，它應(yīng)該快速打開和關(guān)閉，柵極電容必須快速充電和放電。這需要一些電流，在這些情況下，需要一個柵極驅(qū)動器，它可以采取分立電路，柵極驅(qū)動IC或柵極驅(qū)動變壓器的形式。

我們構(gòu)建了一個簡單的MOSFET作為開關(guān)電路，以顯示n溝道MOSFET(左側(cè))和p溝道MOSFET(右側(cè))如何切換。您還可以查看下面演示如何打開和關(guān)閉MOSFET的視頻。

腳注

MOSFET是一個四端器件，第四個終端是襯底，這是實際的導(dǎo)電硅基，晶體管的其余部分是在上面制造的。該端子通常連接到電路中最負(fù)的軌道上(對于n通道器件，也就是說，對于p通道器件反之亦然)，這樣它就不會干擾正常工作。對于功率mosfet，假設(shè)源是最負(fù)端的(因為n溝道m(xù)osfet大多用于低側(cè)，將負(fù)載切換到地)，因此襯底引腳連接到源。這就產(chǎn)生了上述寄生二極管。如果襯底引腳“爆發(fā)”，將其連接到最負(fù)的軌道將確保寄生二極管在正常工作中永遠(yuǎn)不會正向偏置。

本文編譯自circuitdigest