MOS管驅動電阻器及MOS管柵極尖峰電壓的防護分析

本文主要講MOS管驅動電阻器及MOS管柵極尖峰電壓的防護分析。與常規雙極晶體管不同，MOS管是電壓控制型器件，一般用于小電壓控制大電流的情況，包括開關電源、馬達控制、繼電器控制、LED照明等。應用中，MOS管相當于一個開關，漏極和源極之間還有一個寄生二極管，也稱作體二極管。所以，MOS管的驅動比較復雜。

MOS管損耗

MOS管的導通相當于開關閉合。不管是NMOS還是PMOS，導通后都有導通電阻存在，電流通過時就會消耗一定的能量——導通損耗。在器件選型時，我們都會選擇導通電阻小的MOS管。目前，小功率MOS管導通電阻一般在幾十毫歐左右，有的只有幾毫歐。

MOS管及導通電阻與VGS和溫度的關系

就開關速度而言，MOS的導通和截止一定不是瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個下降的過程，流過的電流有一個上升的過程，在這段時間內，MOS管的損耗是電壓和電流的乘積，叫做開關損耗。

通常，開關損耗比導通損耗大得多，而且開關頻率越快，損耗也越大。因為，導通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損耗也就很大。

應用中，可以通過縮短開關時間、降低開關頻率兩種方法來減小開關損耗。其中，縮短開關時間可以減小每次導通時的損失，降低開關頻率可以減小單位時間內的開關次數。

選擇最佳的柵極電壓VGS

由于MOS管的GS、GD之間存在寄生電容，驅動MOS管實際上就是對這些電容進行充放電。同時，MOS管柵極電阻器也很重要。應選擇適當的電阻值，因為它會影響開關速度，進而影響MOS管的開關損耗。

VGS對于MOS管柵極驅動非常重要。MOS管在線性區（即電壓低于夾斷電壓）中運行時，其導通電阻較低。因此對于開關應用，可以在低VDS區中使用MOS管來降低導通電阻。

當MOS管的柵極電壓VGS超過其閾值電壓Vth時，MOS管開通。因此，VGS必須明顯高于Vth。而且，VGS越高，RDS(ON)值就越低；溫度越高，RDS(ON)值也就越高。為了減少損耗，必須增大VGS從而最大限度減小器件在當前使用的電流水平下的電阻，從而降低穩態損耗。

相反，高VGS值會增大高頻開關情況下驅動損耗對總損耗的比率。因此必須選擇最佳的MOS管和柵極驅動電壓，常用MOS管的導通電壓Vth為4V或10V。

柵極電阻器的選擇

一般來說，MOS管的柵極端子上連接一個電阻器。該柵極電阻器的用途包括抑制尖峰電流并減少輸出振鈴。較大的柵極電阻器會降低MOS管的開關速度，從而導致功率損耗增大，性能降低以及出現潛在的發熱問題。

MOS管柵電阻器的選擇

相反，較小的柵極電阻器會提高MOS管的開關速度，易引發電壓尖峰和振蕩，從而造成器件故障和損壞。

因此，必須選擇最佳的柵極電阻器，或通過調節柵極電阻器值來優化MOS管開關速度，有時會使用不同的柵極電阻器來開通和關斷MOS管。

尖峰電壓的防護

在MOS管的柵極和源極之間外接一個齊納二極管，可以有效防止發生靜電放電和柵極尖峰電壓。但要注意，齊納二極管的電容可能有輕微的不良影響。

MOS管柵極尖峰電壓的防護

柵極故障的預防

MOS管的一大問題在于其漏柵電容會導致出現寄生開通（自開通）現象。關斷后，MOS管的源極和漏極之間形成陡峭的dv/dt。產生的電流經由漏柵電容流到柵極，導致柵極電阻器中發生的電壓降提高柵極電壓。

如果dv/dt的斜率極為陡峭，則根據柵源電容與柵漏電容的比率為MOS管的柵極施加電壓。如果出現這種情況，可能會發生自開通。如果在二極管反向恢復期間對處于關斷狀態的MOS管施加快速變化的電壓，也可能發生自開通。

用于防止MOS管自開通現象的米勒箝位電路

要防止自開通現象，通常有三種方法：一是在柵極和源極之間添加一個電容器，二是將關斷柵極電壓驅動到負值，避免其超過Vth。第三種方法是采用米勒箝位電路的開關器件，使MOS管的柵極與源極之間的通路發生短路，通過在相關MOS管的柵極和源極之間添加另一個MOS管來實現短路。

雖然驅動電路較雙極性晶體管復雜，MOS管獨特的開關特性是任何器件都無法替代的，人們還一直在把MOS管從開關電源、馬達驅動、照明調光向汽車電子、新能源電力等應用推廣。面對新的應用，設計時當然需要有一定的余量，并綜合考量MOS管的內部結構和應用環境和發展潛力。

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