在電子電路設(shè)計(jì)中，MOS 管(金屬 - 氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)憑借其低導(dǎo)通電阻、高開(kāi)關(guān)速度等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)電路的功率控制與信號(hào)切換。當(dāng) MOS 管用于控制電阻分壓電路的關(guān)斷時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)電壓過(guò)沖現(xiàn)象，這不僅可能導(dǎo)致電路中其他元件的損壞，還會(huì)影響整個(gè)電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。深入探究 MOS 管控制電阻分壓關(guān)斷時(shí)出現(xiàn)過(guò)沖的原因，對(duì)于優(yōu)化電路設(shè)計(jì)、保障電路正常運(yùn)行具有重要意義。

寄生參數(shù)的影響

寄生電容的作用

MOS 管內(nèi)部存在多種寄生電容，其中對(duì)關(guān)斷過(guò)沖影響較大的是柵極 - 源極電容(CGS)、柵極 - 漏極電容(CGD)以及漏極 - 源極電容(CDS)。當(dāng) MOS 管關(guān)斷時(shí)，柵極電壓迅速下降，由于 CGS 的存在，柵極電荷不會(huì)瞬間釋放，而是通過(guò)與之相連的電路緩慢放電。在這個(gè)過(guò)程中，CGD 會(huì)產(chǎn)生米勒效應(yīng)。米勒效應(yīng)使得等效輸入電容增大，導(dǎo)致柵極電壓的下降速度變慢，從而延長(zhǎng)了 MOS 管的關(guān)斷時(shí)間。在 MOS 管關(guān)斷的過(guò)渡階段，漏極電壓開(kāi)始上升，此時(shí) CDS 與電路中的電感(如線路電感、負(fù)載電感等)形成 LC 諧振回路。由于 CDS 的存在，在諧振過(guò)程中，漏極電壓會(huì)出現(xiàn)過(guò)沖現(xiàn)象。在一個(gè)采用 MOS 管控制的電阻分壓式降壓電路中，當(dāng) MOS 管關(guān)斷時(shí)，CDS 與線路電感產(chǎn)生的諧振導(dǎo)致漏極電壓瞬間超過(guò)電源電壓的 2 倍，對(duì)電路中的其他元件造成了嚴(yán)重威脅。

寄生電感的影響

除了寄生電容，電路中的寄生電感也是導(dǎo)致過(guò)沖的重要因素。線路電感是不可避免的，尤其是在高頻電路或大電流電路中，較長(zhǎng)的導(dǎo)線或不合理的布線會(huì)產(chǎn)生較大的線路電感。當(dāng) MOS 管關(guān)斷時(shí)，電路中的電流迅速變化，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，電感會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其方向與電流變化方向相反。在電阻分壓電路中，電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電源電壓疊加，使得 MOS 管漏極電壓急劇上升，形成過(guò)沖。在一個(gè)功率較大的 MOS 管驅(qū)動(dòng)電路中，由于線路布線不合理，線路電感較大，在 MOS 管關(guān)斷瞬間，漏極電壓過(guò)沖高達(dá)電源電壓的 3 倍，導(dǎo)致 MOS 管被擊穿損壞。

驅(qū)動(dòng)電路的影響

驅(qū)動(dòng)信號(hào)的上升 / 下降時(shí)間

MOS 管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)其關(guān)斷特性有著直接影響。如果驅(qū)動(dòng)信號(hào)的下降時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致 MOS 管的關(guān)斷速度變慢，在關(guān)斷過(guò)程中，漏極電流不能迅速降為零，從而使電感儲(chǔ)存的能量不能及時(shí)釋放，進(jìn)而在 MOS 管關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生過(guò)沖。相反，如果驅(qū)動(dòng)信號(hào)的下降時(shí)間過(guò)短，雖然 MOS 管能夠快速關(guān)斷，但由于電流變化率過(guò)大，會(huì)在電感上產(chǎn)生更高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，同樣會(huì)導(dǎo)致過(guò)沖加劇。在一個(gè)采用普通三極管驅(qū)動(dòng) MOS 管的電路中，由于三極管的開(kāi)關(guān)速度有限，使得 MOS 管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)下降時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)十微秒，導(dǎo)致 MOS 管關(guān)斷時(shí)出現(xiàn)明顯的電壓過(guò)沖，影響了電路的正常工作。

驅(qū)動(dòng)電源的穩(wěn)定性

驅(qū)動(dòng)電源的穩(wěn)定性也會(huì)影響 MOS 管的關(guān)斷過(guò)程。如果驅(qū)動(dòng)電源存在紋波或電壓波動(dòng)，在 MOS 管關(guān)斷時(shí)，不穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電源會(huì)使柵極電壓出現(xiàn)波動(dòng)，進(jìn)而影響 MOS 管的關(guān)斷特性。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電源電壓瞬間下降時(shí)，可能導(dǎo)致 MOS 管提前關(guān)斷，使得電感中的能量瞬間釋放，產(chǎn)生過(guò)沖。在一個(gè)使用開(kāi)關(guān)電源為 MOS 管驅(qū)動(dòng)電路供電的系統(tǒng)中，由于開(kāi)關(guān)電源的紋波較大，在 MOS 管關(guān)斷時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)電壓過(guò)沖現(xiàn)象，通過(guò)更換為紋波較小的線性電源后，過(guò)沖問(wèn)題得到了明顯改善。

負(fù)載特性的影響

感性負(fù)載的儲(chǔ)能與釋放

當(dāng)電阻分壓電路中的負(fù)載為感性負(fù)載時(shí)，如電機(jī)、變壓器等，感性負(fù)載在工作過(guò)程中會(huì)儲(chǔ)存能量。在 MOS 管關(guān)斷時(shí)，感性負(fù)載中的電流不能瞬間變?yōu)榱?，而是通過(guò)續(xù)流二極管或其他路徑繼續(xù)流動(dòng)。由于電感的儲(chǔ)能特性，在電流換向的過(guò)程中，電感會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)致 MOS 管漏極電壓升高。如果續(xù)流二極管的性能不佳或參數(shù)選擇不當(dāng)，不能及時(shí)有效地釋放電感中的能量，就會(huì)使過(guò)沖現(xiàn)象更加嚴(yán)重。在一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，由于續(xù)流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，在 MOS 管關(guān)斷時(shí)，電機(jī)電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)無(wú)法及時(shí)通過(guò)續(xù)流二極管釋放，導(dǎo)致 MOS 管漏極電壓出現(xiàn)大幅度過(guò)沖，對(duì)電機(jī)和 MOS 管都造成了損害。

負(fù)載電阻的大小

負(fù)載電阻的大小也會(huì)對(duì) MOS 管關(guān)斷過(guò)沖產(chǎn)生影響。在電阻分壓電路中，負(fù)載電阻與 MOS 管的導(dǎo)通電阻共同決定了電路的工作電流。當(dāng) MOS 管關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電阻越小，電路中的電流變化率越大，電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也就越大，過(guò)沖現(xiàn)象越明顯。在一個(gè) MOS 管控制的電阻分壓式恒流源電路中，當(dāng)負(fù)載電阻減小到一定程度時(shí)，MOS 管關(guān)斷時(shí)的過(guò)沖電壓急劇上升，通過(guò)增大負(fù)載電阻或調(diào)整電路參數(shù)，過(guò)沖問(wèn)題得到了緩解。

MOS 管控制電阻分壓關(guān)斷出現(xiàn)過(guò)沖是由寄生參數(shù)、驅(qū)動(dòng)電路以及負(fù)載特性等多方面因素共同作用的結(jié)果。在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要充分考慮這些因素，通過(guò)優(yōu)化電路布局、選擇合適的驅(qū)動(dòng)電路和元件參數(shù)等措施，有效抑制過(guò)沖現(xiàn)象，確保電路的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì) MOS 管應(yīng)用的要求也越來(lái)越高，深入研究過(guò)沖問(wèn)題的產(chǎn)生機(jī)制并采取有效的解決措施，對(duì)于提升電路性能、推動(dòng)電子電路技術(shù)的進(jìn)步具有重要意義。