MOS管怎么用？從認識米勒效應、開關損耗、參數(shù)匹配及選型入手

時間：2021-09-30 13:49:14

關鍵字： MOS管選型開關損耗

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[導讀]本文來源于面包板社區(qū)要比喻的話，三極管像綠皮車，MOS管像高鐵。MOS管即場效應管（MOSFET），屬于壓控型，是一種應用非常廣泛的功率型開關元件，在開關電源、逆變器、直流電機驅(qū)動器等設備中很常見，是電力電子的核心元件。MOS管有N溝道和P溝道之分，N溝道相當于NPN的三極管；P...

本文來源于面包板社區(qū)

要比喻的話，三極管像綠皮車，MOS管像高鐵。

MOS管即場效應管（MOSFET），屬于壓控型，是一種應用非常廣泛的功率型開關元件，在開關電源、逆變器、直流電機驅(qū)動器等設備中很常見，是電力電子的核心元件。

MOS管有N溝道和P溝道之分，N溝道相當于NPN的三極管；P溝道相當于PNP的三極管。實際設計及應用中，N溝道MOS管占絕大多數(shù)，所以下面以N溝道MOS管為例進行講解（如圖1中Q3，柵極-G；漏極-D；源極-S）。

MOS管的使用通常可以分為兩種情形：

①參與普通的邏輯控制，和三極管一樣作為開關管使用，電流可達數(shù)安培，如圖1為MOS管驅(qū)動直流電機電路。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。

此類應用的MOS管Vgs電壓大于門檻電壓4.5V（又叫平臺電壓）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。

圖1：邏輯控制MOS管

②參與PWM控制，橋式驅(qū)動電路以及開關電源電路等應用廣泛。

如圖2為有刷直流電機橋式驅(qū)動電路，G1、G2、G3、G4為推挽PWM控制，VS1、VS2接電機，可實現(xiàn)大功率直流電機調(diào)速，正反轉(zhuǎn)控制。此類應用的MOS管Vgs電壓大于10V，通常使用12V（為保證導通深度，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)一個反向二極管，目的是保證MOS管的關斷速度比導通速度快，防止上橋與下橋直通短路。

圖2：有刷直流電機橋式驅(qū)動電路

徹底了解MOS管，我們應從以下兩點入手：

①什么是米勒效應，米勒效應下為什么會有Vgs平臺電壓；

②MOS管的開關損耗、導通損耗、續(xù)流損耗。

如圖3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G極有高電平信號時，電容Cgs充電到門檻電壓4.5V時，DS極開始導通，D極電平下降趨近于0V，此過程電容Cgd開始充電，使G極電壓在短時間內(nèi)保持在4.5V，這就是米勒效應。

圖3：米勒效應測試原理圖

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

如圖4為G極電阻為10Ω時MOS管開通的波形，紅色代表Vgs的電壓波形，藍色代表Vds的電壓波形。平臺電壓的寬度很窄（黃色箭頭），在平臺電壓下DS極間是變阻區(qū)，Vds很窄（綠色箭頭）。

圖4：G極電阻為10Ω，Vgs與Vds波形（開通）

如圖5為G極電阻為100Ω時MOS管開通的波形，平臺電壓的寬度變寬明顯（黃色箭頭），在平臺電壓下DS極間是變阻區(qū)，Vds變緩（綠色箭頭）。

圖5：G極電阻為100Ω，Vgs與Vds波形（開通）

如圖6為G極電阻為200Ω時MOS管開通的波形，平臺電壓的寬度變寬更明顯（黃色箭頭），在平臺電壓下DS極間是變阻區(qū)，Vds變緩更大（綠色箭頭）。

圖6：G極電阻為200Ω，Vgs與Vds波形（開通）

如圖7為G極電阻為200Ω時MOS管關斷的波形，同樣有平臺電壓的存在。

圖7：Vgs與Vds波形（關斷）

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。如圖8：

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

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

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）。

圖8：MOS管的主要損耗

如圖9，對MOS管的選型，主要參數(shù)都會在前面直接給出（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。

圖9：MOS管參數(shù)

所以，MOS管的開關損耗跟設計有直接的關系，縮短導通和關斷時間可有效降低開關損耗；最后，驅(qū)動MOS管的推挽電路很多都已集成在驅(qū)動芯片內(nèi)部，輸出能力很強，通常電流可達1A。

—END—

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