MOS管电路设计中主要参数设计及其作用

1、MOS管的基本原理(以N沟道增强型为例说明)

具体结构讲解及理论分析可参见教科书，以下着重说明几个点：

a. N沟道增强型MOS管的标识图示，其P型衬底与S极N沟道相接。

b. 图中MOS管的DS极之间有反并联二极管，此二极管不是单独设计的二极管，是MOS的寄生二极管，称为体二极管。这一点与IGBT有所区分，IGBT需要单独设计二极管，一般为快恢复二极管。

c. 输出特性曲线，其中可变电阻区又称线性区，恒流区又称饱和区，注意与三极管的输出特性曲线划分的区域进行区别。

d. 将其作为开关管使用时的工作区域：关断时在截止区，开通时在线性区工作。

e. 一般将MOS管称为压控器件，并不是说只加个电压就好了，在驱动时也需要驱动电流，只是时间很短。MOS在开关过程中需要对输入电容充放电，仍需要一定的驱动功率，开关频率越高，所需要的驱动功率越大。

2、MOS管主要关注参数及其作用

以IXYS公司的Power Mosfet-IXTK400N15X4为例

a. 最大额定参数

VDSS – 最大漏-源电压

将栅源短接，最大漏-源电压指漏-源未发生雪崩击穿前所能施加的最大电压。根据温度的不同，实际雪崩击穿电压可能低于额定VDSS。

VGS – 最大栅-源电压

指栅源两极间可以施加的最大电压。设定该额定电压的主要目的是防止电压过高导致的栅氧化层损伤。实际栅氧化层可承受的电压远高于额定电压，但是会随制造工艺的不同而改变，因此保持VGS在额定电压以内可以保证应用的可靠性。

ID25 – 连续漏电流

定义为25度时漏-源间可流过的最大连续电流。注意，其并不包含开关损耗，并且实际使用时保持管表面温度在25度也很难。因此，硬开关应用中实际开关电流通常小于ID25的一半，通常在1/3~1/4。如果可以估算出特定温度下的ID，则这个值更有现实意义。

IDM -- 脉冲漏电流

该参数反映了器件可以处理的脉冲电流的高低，脉冲电流要远高于连续的直流电流。定义IDM的目的在于运行在可变电阻区时。对于不同的栅-源电压，MOSFET导通后，存在最大的漏极电流，漏极电流的增大会提高漏-源电压，由此增大导通损耗。长时间工作在大功率之下，将导致器件失效。

IA – 雪崩击穿电流

当向MOS管施加高于绝对最大额定值VDSS的电压时，就会发生击穿。当施加高于VDSS的高电场时，自由电子被加速并带有很大的能量。这会导致碰撞电离,从而产生电子空穴对。这种电子空穴对呈雪崩式增加的现象称为“雪崩击穿”。在这种雪崩击穿期间，与MOS内部二极管电流呈反方向流动的电流称为“雪崩击穿电流IA。

EAS – 雪崩击穿能量

PD – 最大耗散功率

dv/dt – 最大电压变化率

TJ – 工作温度范围

在电子电路中，MOS管驱动电路是很重要的，将直接关系到MOS管的开关速度和效率，本文将列出四个常见的MOS管栅极驱动电路，并附出四个电路图，希望对小伙伴们有所帮助。

1、IC直接驱动型

这种电路通过电源IC直接提供驱动信号给MOS管的栅极。其结构简单，成本较低，适用于对开关速度要求不高的场合。

但需要注意的是，如果电源IC的峰值驱动电流不足，可能会导致MOS管开启速度较慢。

2、推挽输出电路增强驱动

是一种增加电流供应能力的驱动电路。它由两个互补型MOSFET组成，一个是N通道MOSFET，另一个是P通道MOSFET。当输入信号为高电平时，N通道MOSFET导通，P通道MOSFET截止;当输入信号为低电平时，情况相反。这样，通过两个管的互补工作，推挽电路能够快速完成栅极电容的充电过程，增强驱动能力。

3、驱动电路加速MOS管的关断

在关断的瞬间，驱动电路加速MOS管的关断电路能够提供低阻抗的通路，使MOS管的栅极和源极之间的电容快速放电。

该图显示的是一种常见的加速关断电路，它利用三极管释放GS电容的电荷，实现最短时间内的放电，从而最大限度地减小关断时的交叉损耗。

4、变压器驱动电路加速MOS管的关断

为了满足驱动高边MOS管的要求，通常使用变压器驱动电路。这种电路不仅可用于驱动高边MOS管，还可以实现安全隔离。变压器驱动器通过变压器变换电压和电流，以提供足够的驱动能力。

在电路中，R1用于抑制PCB板上的寄生电感，与C1形成LC振荡，其设计作用是隔离直流、通过交流，避免磁芯饱和。

电子工程师一般认为MOSGUAN 是通过电压驱动的，不需要驱动电流。然而，就在MOS管的G S两级之间有结电容存在，也正是这个电容让驱动MOS变的神秘莫测。

MOS管如果不考虑纹波和EMI等要求的话，MOS管开关速度越快越好，因为开关时间越短，开关损耗越小，而在开关电源中开关损耗占总损耗的很大一部分，因此MOS管驱动电路的好坏直接决定了电源的效率。 对于一个MOS管，如果把GS之间的电压从0拉到管子的开启电压所用的时间越短，那么MOS管开启的速度就会越快。与此类似，如果把MOS管的GS电压从开启电压降到0V的时间越短，那么MOS管关断的速度也就越快 由此我们可以知道，如果想在更短的时间内把GS电压拉高或者拉低，就要给MOS管栅极更大的瞬间驱动电流。 大家常用的PWM芯片输出直接驱动MOS或者用三极管放大后再驱动MOS的方法，其实在瞬间驱动电流这块是有很大缺陷的。 比较好的方法是使用专用的MOS管驱动芯片如TC4420来驱动MOS管，这类的芯片一般有很大的瞬间输出电流，而且还兼容TTL电平输入，MOS管驱动芯片的内部结构。

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二、MOS管驱动电路注意事项：

因为驱动线路走线会有寄生电感，而寄生电感和MOS管的结电容会组成一个LC振荡电路，如果直接把驱动芯片的输出端接到MOS管栅极的话，在PWM波的上升下降沿会产生很大的震荡，导致MOS管急剧发热甚至爆炸，一般的解决方法是在栅极串联10欧左右的电阻，降低LC振荡电路的Q值，使震荡迅速衰减掉。 因为MOS管栅极高输入阻抗的特性，一点点静电或者干扰都可能导致MOS管误导通，所以建议在MOS管G S之间并联一个10K的电阻以降低输入阻抗如果担心附近功率线路上的干扰耦合过来产生瞬间高压击穿MOS管的话，可以在GS之间再并联一个18V左右的TVS瞬态抑制二极管，TVS可以认为是一个反应速度很快的稳压管，其瞬间可以承受的功率高达几百至上千瓦，可以用来吸收瞬间的干扰脉冲。