MOS管怎么用？從認(rèn)識(shí)米勒效應(yīng)、開關(guān)損耗、參數(shù)匹配及選型入手

要比喻的話，三極管像綠皮車，MOS管像高鐵。

MOS管即場(chǎng)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?？梢苑譃閮煞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，如圖1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。

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。

圖1：邏輯控制MOS管

②參與PWM控制，橋式驅(qū)動(dòng)電路以及開關(guān)電源電路等應(yīng)用廣泛。

如圖2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。

圖2：有刷直流電機(jī)橋式驅(qū)動(dòng)電路徹底了解MOS管，我們應(yīng)從以下兩點(diǎn)入手：

①什么是米勒效應(yīng)，米勒效應(yīng)下為什么會(huì)有Vgs平臺(tái)電壓;

②MOS管的開關(guān)損耗、導(dǎo)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(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)。

圖3：米勒效應(yīng)測(cè)試原理圖

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。

如圖4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)。

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(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)。

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(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)。

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(shí)MOS管關(guān)斷的波形，同樣有平臺(tái)電壓的存在。

圖7：Vgs與Vds波形(關(guān)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(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)。

圖8：MOS管的主要損耗

如圖9，對(duì)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。

圖9：MOS管參數(shù)所以，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;最后，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。

審核編輯：湯梓紅