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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(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、直流電機驅(qū)動器等設(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。實際設(shè)計及應(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?strong>兩種情形


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(yīng)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


參與PWM控制,橋式驅(qū)動電路以及開關(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(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:有刷直流電機橋式驅(qū)動電路


徹底了解MOS管,我們應(yīng)從以下兩點入手:


①什么是米勒效應(yīng),米勒效應(yīng)下為什么會有Vgs平臺電壓;


②MOS管的開關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗、續(xù)流損耗。


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極有高電平信號時,電容Cgs充電到門檻電壓4.5V時,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極電壓在短時間內(nèi)保持在4.5V,這就是米勒效應(yīng)。



圖3:米勒效應(yīng)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(guān)斷期間都存在,其寬度與G極電阻有直接的關(guān)系。


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)


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)


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)


圖7為G極電阻為200Ω時MOS管關(guān)斷的波形,同樣有平臺電壓的存在。



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


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(guān)損耗跟設(shè)計有直接的關(guān)系,縮短導(dǎo)通和關(guān)斷時間可有效降低開關(guān)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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