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(guī)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(jù)柵極驅動所需的功耗較低的優(yōu)勢,把MOS管用作頻率范圍從幾kHz到幾百kHz的開關器件。
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(fā)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(tài)產生的電流除外)。實踐中,柵極中會產生幾納安的微弱電流。
雙極晶體管(左)及MOS管的驅動比較
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(wěn)態(tài)開啟或關斷狀態(tài)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(jù)其內部狀態(tài)而有所不同。
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(qū)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(lián)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(lián)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(xù)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(xiàn)功率損耗。
MOS管柵極充電電路和波形
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(xù)降低,而漏極電流保持恒定,因此MOS管會發(fā)生功率損耗。
在t3-t4期間,向柵極充電使其達到過飽和狀態(tài)。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(tài)已經消失,在此期間MOS管不會出現(xiàn)開關損耗。
MOS管柵極驅動功率
實際上,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。
MOS管柵極驅動功耗
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。
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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