详解MOS管驱动电路:深入理解其工作原理和性能要求

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MOS管,即金属-氧化物-半导体场效应晶体管,或称金属-绝缘体-半导体,是工程领域中常用的器件之一。当设计开关电源或驱动电路时,大多数人会关注MOS管的导通电阻、最大电压和最大电流等因素,而忽略其他方面的考虑。尽管这样的电路能够正常工作,但并不足以称之为卓越的设计。以下是关于MOS管及其驱动电路基础的简要总结,包括MOS管的介绍、特性、驱动方式以及应用电路。
 
MOS管的简介
 
MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应晶体管)是一种场效应晶体管,可分为增强型和耗尽型,其中P沟道和N沟道各有两种类型,但实际应用中主要使用增强型的N沟道MOS管和P沟道MOS管。因此,通常所说的NMOS和PMOS指的就是这两种类型。下图显示了这两种MOS管的符号。
 
在这两种增强型MOS管中,NMOS较为常用。原因在于其导通电阻较小且易于制造。因此,在开关电源和马达驱动等应用中,通常选择NMOS。下面的介绍将主要围绕NMOS展开。
 
MOS管之间存在着寄生电容,这并非我们所期望的结果,而是由于制造工艺上的限制导致的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路时需要考虑更多因素,尽管无法完全避免。后文将对此进行详细介绍。
 
在MOS管的原理图中,可以看到漏极和源极之间存在一个寄生二极管,即体二极管。在驱动感性负载(如马达)时,体二极管变得重要。值得一提的是,体二极管仅存在于单个MOS管中,在集成电路芯片内部通常不存在该结构。
 
以上是对MOS管及其驱动电路基础的简要概述。
 
二、MOS管导通特性
 
导通是指MOS管作为开关时处于打开状态。
 
在NMOS的特性中,当栅极与源极之间的电压(Vgs)超过一定值时,MOS管开始导通。这种情况适用于源极接地的低端驱动。只要栅极电压达到4V或10V即可实现导通。
 
对于PMOS,当Vgs小于一定值时,MOS管开始导通。这种情况适用于源极接Vcc的高端驱动。然而,尽管PMOS方便用于高端驱动,但由于其导通电阻大、价格昂贵且可替代型号较少,因此在高端驱动中通常使用NMOS。
 
三、MOS开关管损失
 
导通损耗是指功率管从截止到导通时产生的功率损耗。无论是NMOS还是PMOS,在导通状态下都存在导通电阻,导致通过此电阻的电流消耗能量,这部分能量损耗称为导通损耗。选择导通电阻较小的MOS管可以减小导通损耗,现在小功率MOS管的导通电阻通常在几十毫欧姆左右。
 
MOS在导通和截止时,并不是瞬间完成的。MOS管两端的电压有一个降低过程,通过的电流有一个上升过程,在这段时间内,MOS管的损失是电压和电流的乘积,称为开关损耗。通常情况下,开关损耗比导通损耗要大得多,而且开关频率越高,损耗也越大。
 
导通瞬间电压和电流的乘积很大,造成了较大的损耗。缩短开关时间可以减小每次导通时的损耗,而降低开关频率则可以减小单位时间内的开关次数。这两种方法都可以减小开关损耗。
 
软开关技术,指在全桥逆变电路中添加电容和二极管。二极管在开关管导通时起到钳位作用,并形成泄放回路,来减少开关电流。电容在反激电压的作用下被充电,防止电压突然增加,当电压较高时,电流已经接近于零。这样可以使开关损耗降至最小。
 
四、MOS管驱动
 
与双极晶体管相比,一般认为MOS管导通不需要电流,只需GS电压超过一定值即可实现导通。
 
在MOS管结构中,存在着寄生电容在GS和GD之间,而MOS管的驱动实际上就是对这些电容进行充放电。充电过程需要电流,因为电容在瞬间充电时可以视为短路,所以电流会较大。在选择/设计MOS管驱动时要考虑能提供足够瞬间短路电流的大小。

 

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