MOS管柵極驅(qū)動(dòng)功率與驅(qū)動(dòng)過(guò)程分析-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2020-12-21
在晶體管家族里，MOS管是柵極電壓驅(qū)動(dòng)器件，工作中并無(wú)直流電流流入柵極，這與基極電流驅(qū)動(dòng)的常規(guī)雙極晶體管在原理上是完全不同的。在實(shí)際電路應(yīng)用中，一般根據(jù)柵極驅(qū)動(dòng)所需的功耗較低的優(yōu)勢(shì)，把MOS管用作頻率范圍從幾kHz到幾百kHz的開(kāi)關(guān)器件。
MOSFET驅(qū)動(dòng)器的功耗包含三部分:
1.由于MOSFET柵極電容充電和放電產(chǎn)生的功耗。與MOSFET柵極電容充電和放電有關(guān)。這部分功耗通常是最高的，特別在很低的開(kāi)關(guān)頻率時(shí)。
2.由于MOSFET驅(qū)動(dòng)器吸收靜態(tài)電流而產(chǎn)生的功耗。高電平時(shí)和低電平時(shí)的靜態(tài)功耗。
3. MOSFET驅(qū)動(dòng)器交越導(dǎo)通(穿通)電流產(chǎn)生的功耗。由于MOSFET驅(qū)動(dòng)器交越導(dǎo)通而產(chǎn)生的功耗，通常這也被稱(chēng)為穿通。這是由于輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)的P溝道和N溝道場(chǎng)效應(yīng)管(FET) 在其導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)之間切換時(shí)同時(shí)導(dǎo)通而引起的。
MOS管柵極驅(qū)動(dòng)功率：MOS管柵極驅(qū)動(dòng)電路也有功耗，只是相較雙極晶體管這些功耗很小，而且這些功耗隨著頻率成比例地增大。從驅(qū)動(dòng)電源供應(yīng)的能量減去在柵極中積累的能量，可以得出柵極電阻器消耗的能量。
在MOS管關(guān)斷期間，在柵極中積累的能量就是柵極電阻器消耗的能量。對(duì)于每個(gè)開(kāi)關(guān)事件，所消耗的能量等于驅(qū)動(dòng)電路供應(yīng)的能量。
工作中，可將MOS管的柵極視為電容。除非對(duì)柵極輸入電容充電，否則MOS管的柵極電壓不會(huì)增大，而且在柵極電壓達(dá)到柵極閾值電壓Vth之前，MOS管不會(huì)開(kāi)通。
MOS管的柵極閾值電壓Vth是在其源極和漏極區(qū)域之間產(chǎn)生傳導(dǎo)通道所需的最小柵偏壓。考慮驅(qū)動(dòng)電路和驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，MOS管的柵極電荷Qg比其電容更加重要。
MOS管開(kāi)啟期間，電流流到其柵極，對(duì)柵源電容和柵漏電容充電。對(duì)柵極端子施加恒定電流時(shí)，可將時(shí)間乘以恒定柵電流IG，以柵極電荷Qg表示時(shí)間軸。
對(duì)MOS管施加電壓時(shí)，其柵極開(kāi)始積累電荷。將MOS管連接到電感負(fù)載時(shí)，它會(huì)影響與MOS管并聯(lián)的二極管中的反向恢復(fù)電流以及MOS管柵極電壓。
在t0-t1時(shí)間段內(nèi)，柵極驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)柵極串聯(lián)電阻器R對(duì)柵源電容Cgs和柵漏電容Cgd充電，直到柵極電壓達(dá)到其閾值Vth。
在t1-t2期間，VGS超過(guò)Vth，導(dǎo)致漏極中產(chǎn)生電流，最終成為主電流。在此期間，繼續(xù)對(duì)Cgs和Cg充電。柵極電壓上升時(shí)，漏極電流增大。在t2，柵極電壓達(dá)到米勒電壓。在t0-t1期間，延遲時(shí)間t2和R(Cgs＋Cgd)成正比。由于在此期間有漏極電流流過(guò)，MOS管會(huì)出現(xiàn)功率損耗。
在t2-t3期間，VGS(pl)電壓處的VGS受米勒效應(yīng)影響保持恒定。柵極電壓保持恒定。由于在此期間柵極電壓保持恒定，因此驅(qū)動(dòng)電流流向Cgd而非Cgs。由于在此期間漏極電壓持續(xù)降低，而漏極電流保持恒定，因此MOS管會(huì)發(fā)生功率損耗。
在t3-t4期間，向柵極充電使其達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)。對(duì)Cgs和Cgd充電，直到柵極電壓（VGS）達(dá)到柵極供電電壓。由于開(kāi)通瞬態(tài)已經(jīng)消失，在此期間MOS管不會(huì)出現(xiàn)開(kāi)關(guān)損耗。
對(duì)于雙極晶體管，要在集電極中產(chǎn)生電流，必須在基極端子和發(fā)射極端子之間施加電流。要使MOS管導(dǎo)通，必須對(duì)柵極施加高于額定柵極閾值電壓Vth的電壓。
MOS管的柵極是一層二氧化硅，由于與源極隔離，向柵極端子施加直流電壓理論上不會(huì)在柵極中產(chǎn)生電流（在柵極充電和放電的瞬態(tài)產(chǎn)生的電流除外）。實(shí)踐中，柵極中會(huì)產(chǎn)生幾納安的微弱電流。
在柵極端子和源極端子之間施加電壓時(shí)，MOS管在漏極中產(chǎn)生電流。當(dāng)處于穩(wěn)態(tài)開(kāi)啟或關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，MOS管柵極驅(qū)動(dòng)基本無(wú)功耗。
當(dāng)柵極端子和源極端子之間無(wú)電壓時(shí)，由于漏源極阻抗極高，因此漏極中除泄漏電流之外無(wú)電流。通過(guò)驅(qū)動(dòng)器輸出看到的MOS管，柵源電容根據(jù)其內(nèi)部狀態(tài)而有所不同。
由于開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用非常普及，用于開(kāi)關(guān)應(yīng)用（負(fù)載開(kāi)關(guān)）的MOS管的需求越來(lái)越多。由于能夠降低電子器件及電子線路的總體功耗，MOS管也應(yīng)用在很多其他應(yīng)用中，并通過(guò)邏輯電路或微控制器直接驅(qū)動(dòng)MOS管，例如馬達(dá)控制、繼電器和LED照明等。
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