MOS 管控制电阻分压的关断出现过冲的原因是什么?

在电子电路设计中，MOS 管(金属 - 氧化物半导体场效应晶体管)凭借其低导通电阻、高开关速度等优势，广泛应用于各类电路的功率控制与信号切换。当 MOS 管用于控制电阻分压电路的关断时，有时会出现电压过冲现象，这不仅可能导致电路中其他元件的损坏，还会影响整个电路系统的稳定性与可靠性。深入探究 MOS 管控制电阻分压关断时出现过冲的原因，对于优化电路设计、保障电路正常运行具有重要意义。

寄生参数的影响

寄生电容的作用

MOS 管内部存在多种寄生电容，其中对关断过冲影响较大的是栅极 - 源极电容(CGS)、栅极 - 漏极电容(CGD)以及漏极 - 源极电容(CDS)。当 MOS 管关断时，栅极电压迅速下降，由于 CGS 的存在，栅极电荷不会瞬间释放，而是通过与之相连的电路缓慢放电。在这个过程中，CGD 会产生米勒效应。米勒效应使得等效输入电容增大，导致栅极电压的下降速度变慢，从而延长了 MOS 管的关断时间。在 MOS 管关断的过渡阶段，漏极电压开始上升，此时 CDS 与电路中的电感(如线路电感、负载电感等)形成 LC 谐振回路。由于 CDS 的存在，在谐振过程中，漏极电压会出现过冲现象。在一个采用 MOS 管控制的电阻分压式降压电路中，当 MOS 管关断时，CDS 与线路电感产生的谐振导致漏极电压瞬间超过电源电压的 2 倍，对电路中的其他元件造成了严重威胁。

寄生电感的影响

除了寄生电容，电路中的寄生电感也是导致过冲的重要因素。线路电感是不可避免的，尤其是在高频电路或大电流电路中，较长的导线或不合理的布线会产生较大的线路电感。当 MOS 管关断时，电路中的电流迅速变化，根据电磁感应定律，电感会产生感应电动势，其方向与电流变化方向相反。在电阻分压电路中，电感产生的感应电动势与电源电压叠加，使得 MOS 管漏极电压急剧上升，形成过冲。在一个功率较大的 MOS 管驱动电路中，由于线路布线不合理，线路电感较大，在 MOS 管关断瞬间，漏极电压过冲高达电源电压的 3 倍，导致 MOS 管被击穿损坏。

驱动电路的影响

驱动信号的上升 / 下降时间

MOS 管的驱动信号对其关断特性有着直接影响。如果驱动信号的下降时间过长，会导致 MOS 管的关断速度变慢，在关断过程中，漏极电流不能迅速降为零，从而使电感储存的能量不能及时释放，进而在 MOS 管关断时产生过冲。相反，如果驱动信号的下降时间过短，虽然 MOS 管能够快速关断，但由于电流变化率过大，会在电感上产生更高的感应电动势，同样会导致过冲加剧。在一个采用普通三极管驱动 MOS 管的电路中，由于三极管的开关速度有限，使得 MOS 管的驱动信号下降时间长达数十微秒，导致 MOS 管关断时出现明显的电压过冲，影响了电路的正常工作。

驱动电源的稳定性

驱动电源的稳定性也会影响 MOS 管的关断过程。如果驱动电源存在纹波或电压波动，在 MOS 管关断时，不稳定的驱动电源会使栅极电压出现波动，进而影响 MOS 管的关断特性。当驱动电源电压瞬间下降时，可能导致 MOS 管提前关断，使得电感中的能量瞬间释放，产生过冲。在一个使用开关电源为 MOS 管驱动电路供电的系统中，由于开关电源的纹波较大，在 MOS 管关断时，经常出现电压过冲现象，通过更换为纹波较小的线性电源后，过冲问题得到了明显改善。

负载特性的影响

感性负载的储能与释放

当电阻分压电路中的负载为感性负载时，如电机、变压器等，感性负载在工作过程中会储存能量。在 MOS 管关断时，感性负载中的电流不能瞬间变为零，而是通过续流二极管或其他路径继续流动。由于电感的储能特性，在电流换向的过程中，电感会产生感应电动势，导致 MOS 管漏极电压升高。如果续流二极管的性能不佳或参数选择不当，不能及时有效地释放电感中的能量，就会使过冲现象更加严重。在一个电机驱动电路中，由于续流二极管的反向恢复时间过长，在 MOS 管关断时，电机电感产生的感应电动势无法及时通过续流二极管释放，导致 MOS 管漏极电压出现大幅度过冲，对电机和 MOS 管都造成了损害。

负载电阻的大小

负载电阻的大小也会对 MOS 管关断过冲产生影响。在电阻分压电路中，负载电阻与 MOS 管的导通电阻共同决定了电路的工作电流。当 MOS 管关断时，负载电阻越小，电路中的电流变化率越大，电感产生的感应电动势也就越大，过冲现象越明显。在一个 MOS 管控制的电阻分压式恒流源电路中，当负载电阻减小到一定程度时，MOS 管关断时的过冲电压急剧上升，通过增大负载电阻或调整电路参数，过冲问题得到了缓解。

MOS 管控制电阻分压关断出现过冲是由寄生参数、驱动电路以及负载特性等多方面因素共同作用的结果。在电路设计过程中，需要充分考虑这些因素，通过优化电路布局、选择合适的驱动电路和元件参数等措施，有效抑制过冲现象，确保电路的稳定可靠运行。随着电子技术的不断发展，对 MOS 管应用的要求也越来越高，深入研究过冲问题的产生机制并采取有效的解决措施，对于提升电路性能、推动电子电路技术的进步具有重要意义。