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本文來源於麪包板社區


要比喻的話,三極管像綠皮車,MOS管像高鐵。



MOS管即場效應管(MOSFET),屬於壓控型,是一種應用非常廣泛的功率型開關元件,在開關電源、逆變器、直流電機驅動器等設備中很常見,是電力電子的核心元件


MOS管有N溝道和P溝道之分,N溝道相當於NPN的三極管;P溝道相當於PNP的三極管。實際設計及應用中,N溝道MOS管佔絕大多數,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管的使用通常可以分為兩種情形


①參與普通的邏輯控制,和三極管一樣作為開關管使用,電流可達數安培,如圖1為MOS管驅動直流電機電路。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


此類應用的MOS管Vgs電壓大於門檻電壓4.5V(又叫平台電壓)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,橋式驅動電路以及開關電源電路等應用廣泛。


如圖2為有刷直流電機橋式驅動電路,G1、G2、G3、G4為推輓PWM控制,VS1、VS2接電機,可實現大功率直流電機調速,正反轉控制。此類應用的MOS管Vgs電壓大於10V,通常使用12V(為保證導通深度,PWM的幅值為12V)。且G極的電阻必須是小電阻通常取4.7--100Ω,與電阻並聯一個反向二極管,目的是保證MOS管的關斷速度比導通速度快,防止上橋與下橋直通短路。



圖2:有刷直流電機橋式驅動電路


徹底瞭解MOS管,我們應從以下兩點入手:


①什麼是米勒效應,米勒效應下為什麼會有Vgs平台電壓;


②MOS管的開關損耗、導通損耗、續流損耗。


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極開始導通,D極電平下降趨近於0V,此過程電容Cgd開始充電,使G極電壓在短時間內保持在4.5V,這就是米勒效應。



圖3:米勒效應測試原理圖


該門檻電壓Vgs就是MOS管的平台電壓;該平台電壓的在MOS管開通和關斷期間都存在,其寬度與G極電阻有直接的關係。


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。平台電壓的寬度很窄(黃色箭頭),在平台電壓下DS極間是變阻區,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,平台電壓的寬度變寬明顯(黃色箭頭),在平台電壓下DS極間是變阻區,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,平台電壓的寬度變寬更明顯(黃色箭頭),在平台電壓下DS極間是變阻區,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管關斷的波形,同樣有平台電壓的存在。



圖7:Vgs與Vds波形(關斷)


MOS管的損耗意味着發熱,要使MOS管正常工作,必須瞭解各種損耗。如圖8


開關損耗分為MOS管的開通損耗和關斷損耗,G極電阻的大小決定了開通和關斷的速度,該電阻越大開關損耗越大;


導通損耗取決於DS極間導通後的等效電阻Rds(on),該電阻越大導通損耗越大;


續流損耗指的是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,主要參數都會在前面直接給出(紅框內),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)儘量越小越好。另外G極的Vgs電壓範圍是±20V以內,幾乎所有的MOS管都如此。



圖9:MOS管參數


所以,MOS管的開關損耗跟設計有直接的關係,縮短導通和關斷時間可有效降低開關損耗;最後,驅動MOS管的推輓電路很多都已集成在驅動芯片內部,輸出能力很強,通常電流可達1A。



—END—





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