MOS管特性和导通过程

article/2025/6/22 18:41:25

三极管是流控流器件,它不能驱动功率太大的器件,因为此时C极电流大,而CE压降为0.3V左右,在三极管上面消耗的功率就很大,还容易发热。所以压控压型的MOS管就诞生了。

特性

  • 一开始给GS端电容充电的过程中是有电流的,当MOS管完全导通后,栅极基本没有电流

  • MOS管各极之间都因工艺有一个等效电容,这里引入三个电容的概念:
    (1)输入电容Ciss = Cgd + Cgs
    (2)输出电容Coss = Cgd + Cds
    (3)密勒电容Crss = Cgd

  • 与三极管的CE端导通压降固定不同,MOS管的DS端等效为一个可变电阻Rdson,MOS关断时阻值无穷大,而导通时阻值无穷小,所以导通时即使ID很大,这个功耗也很小。

  • ID电流由负载决定

  • 高压MOS管等效为多个MOS管串联,低压MOS管等效为多个并联
    (1)高压MOS管的Rdson(相同功率的负载,电压大,电流小,等效电阻大,一般为几十毫欧),GS电容小(串联,所以导通快)。
    (2)低压MOS管则相反(Rdson为几毫欧)。

  • MOS管的DS间有一个体二极管,它与ID方向相反,它的压降是0.7V左右,随着电流增大,这个压降也会变大,如100A时,可能达到1V多的压降。体二极管的电流与ID是接近或相等的。它消耗的功率是很大的,这个损耗叫续流损耗。

  • 为了确保GS间的电容有放电回路,一般会在GS端并一个电阻,这样在MOS管关闭时无论前级电路怎么设计,都有放电回路。
    (1)这个电阻相当于下拉电阻,避免产生高阻态,且防止静电损坏MOS管
    (2)阻值:太小功耗大,太大不利于防止静电,一般选10K~100K。对于高压的MOS互补输出电路,可以根据实际情况选择更小,防止两个MOS同时导通。

导通过程和密勒电容

GS电容充电过程(栅极并联了一个电阻):

  1. GS电容内阻刚开始为0,几乎所有电流从电容走
  2. GS电容没充满,电流分别从电容和电阻走,由于电阻很大,电流还是主要从电容走
  3. GS电容充满了,电流不从电容走,只有很小的电流从电阻走

在这里插入图片描述
导通过程:
(1)t1时刻,电压达到MOS管的Vth,MOS管导通,ID开始有电流,电流很小,但接下来会逐步上升
(2)t2时刻,ID电流达到最大值,保持不变,但此时并没有完全导通。由于转移特性,栅极电压也不变,所以此时电流主要从密勒电容走(栅极->密勒电容->漏极->源极),而不从GS电容走。

  • MOSFET转移特性:栅极电压和漏极电流保持一个比例关系
  • 密勒电容的大小与漏极电压有关,越高越大,所以高压MOS管更怕密勒效应。

(3)t2~t3时刻,这段时间为密勒平台。栅极电压不变,漏极电流最大,MOS管处于放大状态,Rdson从无穷大开始变小,VDS变小。虽然Rdson在变小,但仍很大,所以此时功耗大发热大,所以我们希望这段时间很短
(4)t3时刻:MOS管饱和导通,密勒平台结束,固有的转移特性消失。Rdson变得很小,漏极电压变小,密勒电容大小变得很小,基本不存在。电流继续从GS电容流。VGS逐渐增大到栅极提供的电压大小。

减少密勒平台的时间

  • 增大IGS电流:减小栅极电阻
  • 提高栅极驱动电压:不能超过MOS管的极限值

减小密勒平台的时间也会出现一些问题

  • 高压管,一般负载电流小,即ID小,而VDS大,如果密勒平台变小,则导通时VDS要在更短的时间内从很高降到很低
  • 低压管,一般负载电流大,即ID大,如果密勒平台变小,则关断时ID要在更短的时间内从很大减小到0

这样电压或电流的快速变化会让在密勒平台本来不变的VGS发生振荡。
参考设计
在VGS电压确定的情况下:

  • 高压MOS栅极电阻取100~330Ω,密勒平台在200ns~1μs,一般300ns
  • 低压MOS栅极电阻取10~100Ω,常取33Ω、51Ω。密勒平台在90ns~300ns

以上建议仅为参考,具体时间需要观察VGS波形振荡。

另外,对于高压场合,建议选择VGSTH高的MOS管;低压大电流也建议选择VGSTH高的MOS管。低压小电流可以小一点(消费类如玩具)。同时栅极的下拉电阻可以选小一些。


http://chatgpt.dhexx.cn/article/mLbC0nZZ.shtml

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