MOS管的米勒效應(yīng)、開關(guān)損耗及參數(shù)匹配

MOS管即場效應(yīng)管(MOSFET)，屬于壓控型，是一種應(yīng)用非常廣泛的功率型開關(guān)元件，在開關(guān)電源、逆變器、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備中很常見，是電力電子的核心元件。

MOS管有N溝道和P溝道之分，N溝道相當(dāng)于NPN的三極管;P溝道相當(dāng)于PNP的三極管。實(shí)際設(shè)計(jì)及應(yīng)用中，N溝道MOS管占絕大多數(shù)，所以下面以N溝道MOS管為例進(jìn)行講解(如圖1中Q3，柵極-G;漏極-D;源極-S)。

MOS管的使用通?？梢苑譃橐韵聝煞N情形：

①參與普通的邏輯控制

和三極管一樣作為開關(guān)管使用，電流可達(dá)數(shù)安培，如下圖為MOS管驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)電路。R6下拉電阻是必須的(取值一般10--20k)，原理和NPN三極管下拉電阻一樣;原理參見文章《放下教科書，來看下三極管的應(yīng)用電路》。

此類應(yīng)用的MOS管Vgs電壓大于門檻電壓4.5V(又叫平臺(tái)電壓)即可正常使用。小功率的邏輯控制本人還是選擇使用三極管。

②參與PWM控制

例如文章《淺析PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的原理》，橋式驅(qū)動(dòng)電路以及開關(guān)電源電路等應(yīng)用廣泛。

如下圖為有刷直流電機(jī)橋式驅(qū)動(dòng)電路，G1、G2、G3、G4為推挽PWM控制，VS1、VS2接電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)大功率直流電機(jī)調(diào)速，正反轉(zhuǎn)控制。此類應(yīng)用的MOS管Vgs電壓大于10V，通常使用12V(為保證導(dǎo)通深度，PWM的幅值為12V)。且G極的電阻必須是小電阻通常取4.7--100Ω，與電阻并聯(lián)一個(gè)反向二極管，目的是保證MOS管的關(guān)斷速度比導(dǎo)通速度快，防止上橋與下橋直通短路。

徹底了解MOS管，從以下兩點(diǎn)入手：

什么是米勒效應(yīng)，米勒效應(yīng)下為什么會(huì)有Vgs平臺(tái)電壓

MOS管的開關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗、續(xù)流損耗

如下圖所示，G極與D極存在極間電容Cgd，G極與S極存在極間電容Cgs，當(dāng)G極有高電平信號(hào)時(shí)，電容Cgs充電到門檻電壓4.5V時(shí)，DS極開始導(dǎo)通，D極電平下降趨近于0V，此過程電容Cgd開始充電，使G極電壓在短時(shí)間內(nèi)保持在4.5V，這就是米勒效應(yīng)。

該門檻電壓Vgs就是MOS管的平臺(tái)電壓;該平臺(tái)電壓的在MOS管開通和關(guān)斷期間都存在，其寬度與G極電阻有直接的關(guān)系。

如下圖為G極電阻為10Ω時(shí)MOS管開通的波形，紅色代表Vgs的電壓波形，藍(lán)色代表Vds的電壓波形。平臺(tái)電壓的寬度很窄(黃色箭頭)，在平臺(tái)電壓下DS極間是變阻區(qū)，Vds很窄(綠色箭頭)。

如下圖為G極電阻為100Ω時(shí)MOS管開通的波形，平臺(tái)電壓的寬度變寬明顯(黃色箭頭)，在平臺(tái)電壓下DS極間是變阻區(qū)，Vds變緩(綠色箭頭)。

如下圖為G極電阻為200Ω時(shí)MOS管開通的波形，平臺(tái)電壓的寬度變寬更明顯(黃色箭頭)，在平臺(tái)電壓下DS極間是變阻區(qū)，Vds變緩更大(綠色箭頭)。

如下圖為G極電阻為200Ω時(shí)MOS管關(guān)斷的波形，同樣有平臺(tái)電壓的存在。

MOS管的損耗意味著發(fā)熱，要使MOS管正常工作，必須了解各種損耗，如下圖。

開關(guān)損耗分為MOS管的開通損耗和關(guān)斷損耗，G極電阻的大小決定了開通和關(guān)斷的速度，該電阻越大開關(guān)損耗越大;

導(dǎo)通損耗取決于DS極間導(dǎo)通后的等效電阻Rds(on)，該電阻越大導(dǎo)通損耗越大;

續(xù)流損耗指的是S極到D極間的正向二極管的損耗，該損耗通常不考慮(本文略)。

如下圖，對MOS管的選型，主要參數(shù)都會(huì)在前面直接給出(紅框內(nèi))，DS極耐壓(Vdss)通常選擇工作電壓的1.5--2倍;漏極電流(Id)通常選擇工作電流的5--10倍;Rds(on)盡量越小越好。另外G極的Vgs電壓范圍是±20V以內(nèi)，幾乎所有的MOS管都如此。

小結(jié)

MOS管的開關(guān)損耗跟設(shè)計(jì)有直接的關(guān)系，縮短導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間可有效降低開關(guān)損耗。

驅(qū)動(dòng)MOS管的推挽電路很多都已集成在驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部，輸出能力很強(qiáng)，通常電流可達(dá)1A。

原文標(biāo)題：認(rèn)識(shí)MOS管：米勒效應(yīng)、開關(guān)損耗以及參數(shù)匹配

文章出處：【微信公眾號(hào)：硬件攻城獅】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

審核編輯：湯梓紅