通過(guò)輸出MOSFET的寄生二極管進(jìn)行電流再生時(shí)的功耗

本文轉(zhuǎn)載自：羅姆半導(dǎo)體集團(tuán)

本文將談一談使用有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC進(jìn)行PWM驅(qū)動(dòng)時(shí)，通過(guò)輸出MOSFET的寄生二極管進(jìn)行電流再生時(shí)的功耗。之所以討論這個(gè)話題，是因?yàn)樵偕鷷r(shí)的實(shí)際功耗可能會(huì)大于估算值，在某些情況下可能會(huì)引發(fā)問(wèn)題，所以需要注意。

通過(guò)MOSFET的寄生二極管進(jìn)行電流再生時(shí)，功耗是否會(huì)大于計(jì)算值？

當(dāng)通過(guò)輸出MOSFET的寄生二極管進(jìn)行電流再生時(shí)，其功耗應(yīng)該是寄生二極管的正向電壓×電機(jī)電流。然而實(shí)際上，有時(shí)功耗可能會(huì)大于這個(gè)計(jì)算值。

其原因是當(dāng)電流流過(guò)輸出MOSFET的寄生二極管從而產(chǎn)生正向電壓時(shí)，MOSFET結(jié)構(gòu)上固有的寄生晶體管會(huì)工作，電流從電源流向GND。這個(gè)電流小到不足流過(guò)二極管的電流的幾十分之一，但功耗是“電源電壓×電源－GND間電流”，是電源電壓較高時(shí)不可忽視的值。

下面將從驅(qū)動(dòng)器輸出MOSFET的狀態(tài)、電流的流動(dòng)以及輸出MOSFET的結(jié)構(gòu)角度來(lái)解釋說(shuō)明這種現(xiàn)象。

首先來(lái)看電流再生時(shí)輸出MOSFET的狀態(tài)和再生電流的流動(dòng)情況。下面是H橋電路，但其中省略了與工作無(wú)關(guān)的MOSFET。（a）是給電機(jī)供給電流時(shí)的電路，（b）和（c）都是電流再生時(shí)的電路，但由于有兩種電路狀態(tài)，所以將（b）命名為“電流再生時(shí)1”、將（c）命名為“電流再生時(shí)2”。

（b）電流再生時(shí)1是在供給電流時(shí)將導(dǎo)通的Q1關(guān)閉、而Q4保持導(dǎo)通。在這種狀態(tài)下，電流通過(guò)關(guān)斷狀態(tài)的Q2的寄生二極管和導(dǎo)通狀態(tài)的Q4再生。

（c）電流再生時(shí)2是在供給電流時(shí)將導(dǎo)通的Q1和Q4關(guān)斷，所有MOSFET處于關(guān)斷狀態(tài)。在這種情況下，電流通過(guò)Q2和Q4的寄生二極管再生。

接下來(lái)，為了說(shuō)明導(dǎo)致流過(guò)附加電流的寄生晶體管，給出了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC的輸出MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖（截面圖）。在上面的電路圖中，高邊使用了Pch MOSFET，低邊使用了Nch MOSFET，所以下圖中也分別列出了它們的結(jié)構(gòu)。

在輸出Nch MOSFET中，由漏極D的N型擴(kuò)散層、元件分離用的P型擴(kuò)散層和連接到電源的N型擴(kuò)散層（在這里是連接到輸出Pch MOSFET的源極S），可以形成寄生NPN晶體管Qa。

當(dāng)再生電流流過(guò)這個(gè)Nch MOSFET的源極和漏極之間的寄生二極管Di_a時(shí)，由于元件分離P型擴(kuò)散層是與GND相連接的，因此寄生NPN晶體管Qa的基極和發(fā)射極之間的二極管也會(huì)產(chǎn)生正向電壓。為此，寄生NPN晶體管Qa導(dǎo)通，流過(guò)集電極電流并從電源Ea汲取電流。

對(duì)于輸出Pch MOSFET來(lái)說(shuō)，原理也相同?？梢杂陕OD的P型擴(kuò)散層、與源極S共用的背柵N型擴(kuò)散層、元件分離等的P型擴(kuò)散層來(lái)形成寄生PNP晶體管Qb。

當(dāng)再生電流流過(guò)該P(yáng)ch MOSFET的源極和漏極之間的寄生二極管Di_b時(shí)，寄生PNP晶體管Qb導(dǎo)通，流過(guò)集電極電流，且電流流向GND。

當(dāng)再生電流流過(guò)輸出MOSFET的寄生二極管時(shí)，電流通過(guò)寄生晶體管在電源和GND之間流動(dòng)。一般來(lái)講，流過(guò)的電流比再生電流小兩個(gè)數(shù)量級(jí)左右，但會(huì)因IC所使用的工藝和MOSFET的布局而有很大差異。因此，當(dāng)通過(guò)輸出MOSFET的寄生二極管使用電流再生時(shí)，需要確認(rèn)通過(guò)這些寄生晶體管流過(guò)的電流大小。

例如，在“（c）電流再生時(shí)2”中，假設(shè)電源電壓Ea=24V，再生電流Io=1.0A，Nch MOSFET寄生二極管的正向電壓VF_N=0.8V，Pch MOSFET的寄生二極管正向電壓VF_P=0.95V，Nch MOSFET的寄生晶體管和Pch MOSFET的寄生晶體管的電源和GND之間流動(dòng)的電流與再生電流之比都為k1=1/100，則功耗Pc如下：

Pc＝Io×（VF_N＋VF_P＋2×k1×Ea）
＝1×（0.8＋0.95＋2×1/100×24）

＝1.75＋0.48＝2.23W

在這個(gè)示例中，流經(jīng)寄生晶體管的電流對(duì)功耗的影響是絕對(duì)不能忽視的。在電源電壓Ea高時(shí)需要注意。