MOS管柵極驅動功率與驅動過程分析-KIA MOS管

MOS管柵極驅動功率與驅動過程

在晶體管家族里，MOS管是柵極電壓驅動器件，工作中并無直流電流流入柵極，這與基極電流驅動的常規雙極晶體管在原理上是完全不同的。在實際電路應用中，一般根據柵極驅動所需的功耗較低的優勢，把MOS管用作頻率范圍從幾kHz到幾百kHz的開關器件。

MOS管柵極驅動功率

MOSFET驅動器的功耗包含三部分:

1.由于MOSFET柵極電容充電和放電產生的功耗。與MOSFET柵極電容充電和放電有關。這部分功耗通常是最高的，特別在很低的開關頻率時。

2.由于MOSFET驅動器吸收靜態電流而產生的功耗。高電平時和低電平時的靜態功耗。

3. MOSFET驅動器交越導通(穿通)電流產生的功耗。由于MOSFET驅動器交越導通而產生的功耗，通常這也被稱為穿通。這是由于輸出驅動級的P溝道和N溝道場效應管(FET) 在其導通和截止狀態之間切換時同時導通而引起的。

MOS管柵極驅動功率：MOS管柵極驅動電路也有功耗，只是相較雙極晶體管這些功耗很小，而且這些功耗隨著頻率成比例地增大。從驅動電源供應的能量減去在柵極中積累的能量，可以得出柵極電阻器消耗的能量。

在MOS管關斷期間，在柵極中積累的能量就是柵極電阻器消耗的能量。對于每個開關事件，所消耗的能量等于驅動電路供應的能量。

驅動過程

工作中，可將MOS管的柵極視為電容。除非對柵極輸入電容充電，否則MOS管的柵極電壓不會增大，而且在柵極電壓達到柵極閾值電壓Vth之前，MOS管不會開通。

MOS管的柵極閾值電壓Vth是在其源極和漏極區域之間產生傳導通道所需的最小柵偏壓。考慮驅動電路和驅動電流時，MOS管的柵極電荷Qg比其電容更加重要。

MOS管開啟期間，電流流到其柵極，對柵源電容和柵漏電容充電。對柵極端子施加恒定電流時，可將時間乘以恒定柵電流IG，以柵極電荷Qg表示時間軸。

對MOS管施加電壓時，其柵極開始積累電荷。將MOS管連接到電感負載時，它會影響與MOS管并聯的二極管中的反向恢復電流以及MOS管柵極電壓。

在t0-t1時間段內，柵極驅動電路通過柵極串聯電阻器R對柵源電容Cgs和柵漏電容Cgd充電，直到柵極電壓達到其閾值Vth。

在t1-t2期間，VGS超過Vth，導致漏極中產生電流，最終成為主電流。在此期間，繼續對Cgs和Cg充電。柵極電壓上升時，漏極電流增大。在t2，柵極電壓達到米勒電壓。在t0-t1期間，延遲時間t2和R(Cgs＋Cgd)成正比。由于在此期間有漏極電流流過，MOS管會出現功率損耗。

在t2-t3期間，VGS(pl)電壓處的VGS受米勒效應影響保持恒定。柵極電壓保持恒定。由于在此期間柵極電壓保持恒定，因此驅動電流流向Cgd而非Cgs。由于在此期間漏極電壓持續降低，而漏極電流保持恒定，因此MOS管會發生功率損耗。

在t3-t4期間，向柵極充電使其達到過飽和狀態。對Cgs和Cgd充電，直到柵極電壓（VGS）達到柵極供電電壓。由于開通瞬態已經消失，在此期間MOS管不會出現開關損耗。

驅動原理

對于雙極晶體管，要在集電極中產生電流，必須在基極端子和發射極端子之間施加電流。要使MOS管導通，必須對柵極施加高于額定柵極閾值電壓Vth的電壓。

MOS管的柵極是一層二氧化硅，由于與源極隔離，向柵極端子施加直流電壓理論上不會在柵極中產生電流（在柵極充電和放電的瞬態產生的電流除外）。實踐中，柵極中會產生幾納安的微弱電流。

在柵極端子和源極端子之間施加電壓時，MOS管在漏極中產生電流。當處于穩態開啟或關斷狀態時，MOS管柵極驅動基本無功耗。

當柵極端子和源極端子之間無電壓時，由于漏源極阻抗極高，因此漏極中除泄漏電流之外無電流。通過驅動器輸出看到的MOS管，柵源電容根據其內部狀態而有所不同。

由于開關電源應用非常普及，用于開關應用（負載開關）的MOS管的需求越來越多。由于能夠降低電子器件及電子線路的總體功耗，MOS管也應用在很多其他應用中，并通過邏輯電路或微控制器直接驅動MOS管，例如馬達控制、繼電器和LED照明等。

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