MOS管驱动电阻器及MOS管栅极尖峰电压的防护分析

本文主要讲MOS管(guan)驱动电(dian)阻器(qi)及MOS管(guan)栅极(ji)(ji)(ji)尖(jian)峰(feng)电(dian)压(ya)的(de)防护分(fen)析(xi)。与常规双极(ji)(ji)(ji)晶体(ti)管(guan)不(bu)同，MOS管(guan)是电(dian)压(ya)控(kong)制(zhi)型器(qi)件(jian)，一般用于(yu)小电(dian)压(ya)控(kong)制(zhi)大电(dian)流的(de)情况，包括开(kai)关电(dian)源、马达控(kong)制(zhi)、继电(dian)器(qi)控(kong)制(zhi)、LED照明(ming)等。应用中，MOS管(guan)相(xiang)当于(yu)一个开(kai)关，漏极(ji)(ji)(ji)和源极(ji)(ji)(ji)之间还(hai)有一个寄生二(er)(er)极(ji)(ji)(ji)管(guan)，也(ye)称作体(ti)二(er)(er)极(ji)(ji)(ji)管(guan)。所以，MOS管(guan)的(de)驱动比较复杂。

MOS管损耗

MOS管(guan)的导通(tong)相当于(yu)开(kai)关闭合。不管(guan)是(shi)NMOS还是(shi)PMOS，导通(tong)后(hou)都有(you)导通(tong)电(dian)阻(zu)存在，电(dian)流通(tong)过时(shi)就会消耗一(yi)定的能量——导通(tong)损(sun)耗。在器件选(xuan)型时(shi)，我(wo)们都会选(xuan)择导通(tong)电(dian)阻(zu)小(xiao)的MOS管(guan)。目前，小(xiao)功率(lv)MOS管(guan)导通(tong)电(dian)阻(zu)一(yi)般在几十毫欧左右，有(you)的只有(you)几毫欧。

MOS管及导通电阻与VGS和温度的关系(xi)

就开关(guan)速度而言，MOS的(de)(de)导通和截止一定(ding)不是(shi)瞬(shun)间完成的(de)(de)。MOS两(liang)端的(de)(de)电(dian)压(ya)有(you)一个下降的(de)(de)过(guo)(guo)程，流过(guo)(guo)的(de)(de)电(dian)流有(you)一个上升的(de)(de)过(guo)(guo)程，在这段时间内(nei)，MOS管的(de)(de)损耗(hao)(hao)是(shi)电(dian)压(ya)和电(dian)流的(de)(de)乘积，叫做(zuo)开关(guan)损耗(hao)(hao)。

通常，开(kai)关损(sun)耗(hao)比导通损(sun)耗(hao)大(da)(da)得(de)多，而且开(kai)关频率越(yue)快，损(sun)耗(hao)也(ye)越(yue)大(da)(da)。因为，导通瞬间电压和电流的乘积很大(da)(da)，造成的损(sun)耗(hao)也(ye)就很大(da)(da)。

应用中(zhong)，可(ke)以通过(guo)缩短开(kai)(kai)关(guan)时间、降低开(kai)(kai)关(guan)频(pin)(pin)率(lv)两种方法(fa)来减小(xiao)开(kai)(kai)关(guan)损耗。其中(zhong)，缩短开(kai)(kai)关(guan)时间可(ke)以减小(xiao)每(mei)次(ci)导通时的(de)损失，降低开(kai)(kai)关(guan)频(pin)(pin)率(lv)可(ke)以减小(xiao)单位时间内的(de)开(kai)(kai)关(guan)次(ci)数(shu)。

选择最佳的栅极电压VGS

由(you)于MOS管的GS、GD之(zhi)间存在寄生电容(rong)，驱(qu)动MOS管实际(ji)上就是对这些(xie)电容(rong)进(jin)行充(chong)放电。同时，MOS管栅极电阻(zu)器(qi)也很重要。应选择适(shi)当的电阻(zu)值(zhi)，因为它(ta)会(hui)影响开(kai)关速度(du)，进(jin)而影响MOS管的开(kai)关损(sun)耗。

VGS对(dui)于(yu)MOS管(guan)(guan)栅(zha)极驱动非常(chang)重要(yao)。MOS管(guan)(guan)在线性区（即电(dian)(dian)压低于(yu)夹(jia)断电(dian)(dian)压）中(zhong)运行时，其(qi)导通电(dian)(dian)阻(zu)较低。因此(ci)对(dui)于(yu)开(kai)关应用(yong)，可(ke)以在低VDS区中(zhong)使(shi)用(yong)MOS管(guan)(guan)来降低导通电(dian)(dian)阻(zu)。

当MOS管的栅极电压(ya)VGS超过其阈值电压(ya)Vth时，MOS管开(kai)通。因(yin)此(ci)，VGS必须明显高(gao)(gao)于(yu)Vth。而且，VGS越高(gao)(gao)，RDS(ON)值就越低；温度越高(gao)(gao)，RDS(ON)值也就越高(gao)(gao)。为了减少损(sun)耗，必须增大VGS从而最大限(xian)度减小器件(jian)在当前使(shi)用的电流水(shui)平下的电阻，从而降低稳态损(sun)耗。

相反，高(gao)(gao)VGS值会增大高(gao)(gao)频开关情况下(xia)驱动损耗对总损耗的比率(lv)。因此必须选择最(zui)佳的MOS管(guan)(guan)和栅极驱动电(dian)压(ya)，常用(yong)MOS管(guan)(guan)的导(dao)通电(dian)压(ya)Vth为4V或10V。

栅极电阻器的选择

一般来说，MOS管(guan)的(de)(de)栅(zha)(zha)极端子上连接(jie)一个电阻(zu)器。该栅(zha)(zha)极电阻(zu)器的(de)(de)用途包括(kuo)抑制(zhi)尖峰电流并减少输出振铃。较(jiao)大(da)的(de)(de)栅(zha)(zha)极电阻(zu)器会降低MOS管(guan)的(de)(de)开关速(su)度，从而导(dao)致(zhi)功率损(sun)耗增大(da)，性能(neng)降低以及出现潜(qian)在的(de)(de)发热问题。

MOS管(guan)栅电阻器的(de)选(xuan)择

相(xiang)反，较小的(de)栅极电阻器会提(ti)高(gao)MOS管的(de)开(kai)关速度，易引(yin)发电压(ya)尖峰(feng)和振(zhen)荡，从而造成器件故障和损坏。

因此，必(bi)须(xu)选择最佳的栅极电阻(zu)器(qi)(qi)，或通过调节栅极电阻(zu)器(qi)(qi)值来优化MOS管(guan)开关速度，有时会使用不同的栅极电阻(zu)器(qi)(qi)来开通和关断(duan)MOS管(guan)。

尖峰电压的防护

在MOS管的(de)(de)(de)栅极(ji)(ji)和源极(ji)(ji)之(zhi)间外接一个(ge)齐纳(na)二(er)极(ji)(ji)管，可(ke)以(yi)有效防止发生静电放电和栅极(ji)(ji)尖峰电压(ya)。但(dan)要注(zhu)意，齐纳(na)二(er)极(ji)(ji)管的(de)(de)(de)电容可(ke)能有轻(qing)微的(de)(de)(de)不良影响。

MOS管(guan)栅(zha)极(ji)尖(jian)峰电压的防护

栅极故障的预防

MOS管(guan)的一大问题在于其漏栅(zha)电容会导致出现寄生开通（自开通）现象。关(guan)断后，MOS管(guan)的源极(ji)和漏极(ji)之间形(xing)成(cheng)陡峭的dv/dt。产生的电流经由漏栅(zha)电容流到栅(zha)极(ji)，导致栅(zha)极(ji)电阻器中发(fa)生的电压降提高栅(zha)极(ji)电压。

如果dv/dt的斜率极(ji)为陡峭，则根(gen)据栅(zha)源电(dian)容与(yu)栅(zha)漏电(dian)容的比率为MOS管(guan)的栅(zha)极(ji)施加(jia)电(dian)压(ya)。如果出现这(zhei)种情(qing)况，可能(neng)会发生自开通。如果在二极(ji)管(guan)反向恢(hui)复(fu)期间对处于关断状态的MOS管(guan)施加(jia)快速变化的电(dian)压(ya)，也可能(neng)发生自开通。

用于(yu)防止(zhi)MOS管自开(kai)通现象的米勒(le)箝位电路

要防止(zhi)自开通现象(xiang)，通常有三种方法(fa)：一(yi)(yi)是(shi)在(zai)(zai)栅(zha)极(ji)和(he)源极(ji)之(zhi)(zhi)间添加一(yi)(yi)个电容器(qi)，二是(shi)将关(guan)断栅(zha)极(ji)电压驱动到负值，避免(mian)其超过Vth。第三种方法(fa)是(shi)采用米勒(le)箝(qian)位电路的(de)开关(guan)器(qi)件(jian)，使MOS管的(de)栅(zha)极(ji)与(yu)源极(ji)之(zhi)(zhi)间的(de)通路发生短(duan)路，通过在(zai)(zai)相关(guan)MOS管的(de)栅(zha)极(ji)和(he)源极(ji)之(zhi)(zhi)间添加另一(yi)(yi)个MOS管来(lai)实现短(duan)路。

虽然驱动电(dian)(dian)路(lu)较双极性(xing)晶体(ti)管复杂，MOS管独特(te)的(de)开(kai)关(guan)特(te)性(xing)是任何器件(jian)都无法替代的(de)，人们还一直(zhi)在(zai)把MOS管从开(kai)关(guan)电(dian)(dian)源、马达驱动、照明调(diao)光向(xiang)汽车(che)电(dian)(dian)子、新(xin)能源电(dian)(dian)力等应用推广。面对(dui)新(xin)的(de)应用，设计(ji)时当(dang)然需要(yao)有(you)一定的(de)余量，并综合考(kao)量MOS管的(de)内(nei)部(bu)结构和(he)应用环境和(he)发(fa)展潜力。

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