MOS、三極管管用作開關(guān)時的區(qū)別聯(lián)系

MOS管開關(guān)MOSFET和BJT的工作區(qū)域的命名有所不同。BJT中的截止，放大和飽和區(qū)相對于MOSFET為截止，飽和，變阻區(qū)。MOSFET有個參數(shù)Vt——啟電壓。當(dāng)Vgs<Vt時，MOSFET處于截止?fàn)顟B(tài)，即截止區(qū)。當(dāng)Vgs>Vt且Vds>Vgs-Vt時，為飽和區(qū)。當(dāng)Vgs>Vt且Vds<Vgs-Vt時，MOSFET處在變阻區(qū)。如果忽略溝道的長度調(diào)制效應(yīng)，MOSFET的飽和區(qū)就是相當(dāng)于受控恒流源。通常用其作為放大區(qū)域使用（類比BJT的放大去）。MOSFET的變阻區(qū)相當(dāng)于一個受Vgs控制的變阻器，當(dāng)Vgs增大時溝道電阻變小。通常功率MOSFET的Rds可以降到非常之小，以便流過較大的電流。利用MOSFET截止區(qū)和變阻區(qū)的特性，就可以將MOSFET應(yīng)用于邏輯或功率開關(guān)?，F(xiàn)在常用的MOS管大多是N溝道增強(qiáng)型的了，一般一塊錢左右的管子，源極電流可以達(dá)到近十安培而導(dǎo)通電阻僅在幾毫歐。另外現(xiàn)在的MOS管已經(jīng)不像早期那樣脆弱，因?yàn)镾D上并聯(lián)有可以承受幾安培電流的反向保護(hù)二極管。MOS管有幾個重要的參數(shù)，Vgs,Vds,ld/ls以及Ron,其中對于Vgs也就是柵極控制電壓有一些特殊的要求與用法，它就像三極管的Ibe，之所以稱為Vgs就是因?yàn)檫@個電壓必須相對于S級而言，也就是G極必須比S極高出一定的電壓才能驅(qū)動MOS管，否則管子不能導(dǎo)通。比如Vgs耐壓在12V左右的管子，當(dāng)Vgs高于1.5V以上時就基本可以認(rèn)為導(dǎo)通，一般4-5V就可以達(dá)到其最小Ron了。但是，由于這個電壓是基于S極的，所以對于電源一類的開關(guān)管應(yīng)用場合（靠低壓控制高壓輸入），必須想辦法讓/gs高于Vs足夠高（或者也可以讓管子并聯(lián)于電源，靠儲能器件工作于高速開關(guān)狀態(tài)），而為了簡化電路一般都是在柵極上添加自舉電路。自舉電路一般由一個電容和反向二極管組成，相當(dāng)于給柵極增加了一個串聯(lián)的電池。自舉電容根據(jù)使用情況的不同，可以選用極性電容，也可以選擇非極性電容。在選擇這個電容時，如果電容很小，則電容儲能不夠，放電很快，開關(guān)管很難被有效打開或關(guān)閉；如果電容過大，也會導(dǎo)致開關(guān)速度受限，電路板面積也會增加。所以，電容要根據(jù)開關(guān)管工作速度適當(dāng)選取，一般將電容值選擇在放電時間稍長與開關(guān)周期即可，具體的參數(shù)可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)來確定。相對與N溝道的MOS管，P溝道的管子在驅(qū)動起來就稍微容易一些，因?yàn)椴槐卦偃?chuàng)造高于電源電壓的驅(qū)動環(huán)境，使用一個簡單的三極管調(diào)壓電路就可以實(shí)現(xiàn)了使用MOS管設(shè)計(jì)開關(guān)電源或者馬達(dá)驅(qū)動電路的時候，大部分人都會考慮MOS的導(dǎo)通電阻，最大電壓等，最大電流等，也有很多人僅僅考慮這些因素。這樣的電路也許是可以工作的，但并不是優(yōu)秀的，作為正式的產(chǎn)品設(shè)計(jì)也是不允許的。下面是我對MOSFET及MOSFET驅(qū)動電路基礎(chǔ)的一點(diǎn)總結(jié)，其中參考了一些資料，非全部原創(chuàng)。包括MOS管的介紹，特性，驅(qū)動以及應(yīng)用電路。1，MOS管種類和結(jié)構(gòu)MOSFET管是FET的一種（另一種是JFET），可以被制造成增強(qiáng)型或耗盡型，P溝道或N溝道共4種類型，但實(shí)際應(yīng)用的只有增強(qiáng)型的N溝道MOS管和增強(qiáng)型的P溝道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是這兩種。至于為什么不使用耗盡型的MOS管，不建議刨根問底。對于這兩種增強(qiáng)型MOS管，比較常用的是NMOS。原因是導(dǎo)通電阻小，且容易制造。所以開關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動的應(yīng)用中，一般都用NMOS。下面的介紹中，也多以NMOS為主。MOS管的三個管腳之間有寄生電容存在，這不是我們需要的，而是由于制造工藝限制產(chǎn)生的。寄生電容的存在使得在設(shè)計(jì)或選擇驅(qū)動電路的時候要麻煩一些，但沒有辦法避免，后邊再詳細(xì)介紹。在MOS管原理圖上可以看到，漏極和源極之間有一個寄生二極管。這個叫體二極管，在驅(qū)動感性負(fù)載(如馬達(dá))，這個二極管很重要。順便說一句，體二極管只在單個的MOS管中存在，在集成電路芯片內(nèi)部通常是沒有的。2，MOS管導(dǎo)通特性導(dǎo)通的意思是作為開關(guān)，相當(dāng)于開關(guān)閉合。NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會導(dǎo)通，適合用于源極接地時的情況(低端驅(qū)動)，只要柵極電壓達(dá)到4V或10V就可以了。PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會導(dǎo)通，適合用于源極接VCC時的情況(高端驅(qū)動)。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動，但由于導(dǎo)通電阻大，價格貴，替換種類少等原因，在高端驅(qū)動中，通常還是使用NMOS。3，MOS開關(guān)管損失不管是NMOS還是PMOS，導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在，這樣電流就會在這個電阻上消耗能量,這部分消耗的能量叫做導(dǎo)通損耗。選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管會減小導(dǎo)通損耗?，F(xiàn)在的小功率MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾十毫歐左右，幾毫歐的也有。MOS在導(dǎo)通和截止的時候，一定不是在瞬間完成的。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(nèi)，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開關(guān)損失。通常開關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多，而且開關(guān)頻率越快，損失也越大。導(dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損失也就很大。縮短開關(guān)時間，可以減小每次導(dǎo)通時的損失；降低開關(guān)頻率，可以減小單位時間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關(guān)損失。4，MOS管驅(qū)動跟雙極性晶體管相比，一般認(rèn)為使MOS管導(dǎo)通不需要電流，只要GS電壓高于一定的值，就可以了。這個很容易做到，但是，我們還需要速度。在MOS管的結(jié)構(gòu)中可以看到，在GS，GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅(qū)動，實(shí)際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個電流，因?yàn)閷﹄娙莩潆娝查g可以把電容看成短路，所以瞬間電流會比較大。選擇/設(shè)計(jì)MOS管驅(qū)動時第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。第二注意的是，普遍用于高端驅(qū)動的NMOS,導(dǎo)通時需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅(qū)動的MOS管導(dǎo)通時源極電壓與漏極電壓(VCC)相同，所以這時柵極電壓要比VCC大4V或10V如果在同一個系統(tǒng)里，要得到比VCC大的電壓，就要專門的升壓電路了。很多馬達(dá)驅(qū)動器都集成了電荷泵，要注意的是應(yīng)該選擇合適的外接電容，以得到足夠的短路電流去驅(qū)動MOS管。上邊說的4V或10V是常用的MOS管的導(dǎo)通電壓，設(shè)計(jì)時當(dāng)然需要有一定的余量。而且電壓越高，導(dǎo)通速度越快，導(dǎo)通電阻也越小?，F(xiàn)在也有導(dǎo)通電壓更小的MOS管用在不同的領(lǐng)域里，但在12V汽車電子系統(tǒng)里，一般4V導(dǎo)通就夠用了。MOS管的驅(qū)動電路及其損失，可以參考Microchip公司的AN799MatchingMOSFETDriverstoMOSFETs。講述得很詳細(xì)，所以不打算多寫了。5，MOS管應(yīng)用電路MOS管最顯著的特性是開關(guān)特性好，所以被廣泛應(yīng)用在需要電子開關(guān)的電路中，常見的如開關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動，也有照明調(diào)光。2008年07月14日星期一10:32一、靜態(tài)特性MOS管作為開關(guān)元件，同樣是工作在截止或?qū)▋煞N狀態(tài)。由于MOS管是電壓控制元件，所以主要由柵源電壓uGS決定其工作狀態(tài)。工作特性如下：探uGSV開啟電壓UT：MOS管工作在截止區(qū)，漏源電流iDS基本為0,輸出電壓uDS^UDD，MOS管處于"斷開"狀態(tài)，其等效電路如圖3.8(b)所示。探uGS＞開啟電壓UT：MOS管工作在導(dǎo)通區(qū)，漏源電流iDS=UDD/(RD+rDS)。其中，rDS為MOS管導(dǎo)通時的漏源電阻。輸出電壓UDS=UDD?rDS/(RD+rDS),如果rDSVVRD，貝I」uDS"0V,MOS管處于"接通"狀態(tài)，其等效電路如圖3.8(c)所示。二、動態(tài)特性

MOS管在導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時同樣存在過渡過程，但其動態(tài)特性主要取決于與電路有關(guān)的雜散電容充、放電所需的時間，而管子本身導(dǎo)通和截止時電荷積累和消散的時間是很小的。圖3.9(a)和(b)分別給出了一個NMOS管組成的電路及其動態(tài)特性示意圖。UddyRdIDUiCH_TLUO充電〒ClUddyRdIDUiCH_TLUO充電〒Cl當(dāng)輸入電壓ui由高變低，MOS管由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換為截止?fàn)顟B(tài)時，電源UDD通過RD向雜散電容CL充電，充電時間常數(shù)t1=RDCL。所以，輸出電壓uo要通過一定延時才由低電平變?yōu)楦唠娖?；?dāng)輸入電壓ui由低變高，MOS管由截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通狀態(tài)時，雜散電容CL上的電荷通過rDS進(jìn)行放電，其放電時間常數(shù)T2"rDSCL?？梢?，輸出電壓Uo也要經(jīng)過一定延時才能轉(zhuǎn)變成低電平。但因?yàn)閞DS比RD小得多，所以，由截止到導(dǎo)通的轉(zhuǎn)換時間比由導(dǎo)通到截止的轉(zhuǎn)換時間要短。由于MOS管導(dǎo)通時的漏源電阻rDS比晶體三極管的飽和電阻rCES要大得多，漏極外接電阻RD也比晶體管集電極電阻RC大，所以，MOS管的充、放電時間較長，使MOS管的開關(guān)速度比晶體三極管的開關(guān)速度低。不過，在CMOS電路中，由于充電電路和放電電路都是低阻電路,因此，其充、放電過程都比較快，從而使CMOS電路有較高的開關(guān)速度。MOSFET的輸入阻抗很高，柵源的極間電容很小NMOS：高導(dǎo)通VGSPMOS：低導(dǎo)通VGS襯底一般跟源極連通，所以N溝道的P襯底跟S極連通，使用時讓P襯底接低電位，N襯底接高電位才能導(dǎo)通。無論是N還是Pmos管在D--->S之間都有二極管，此二極管起保護(hù)作用。靜態(tài)dv/dt是指還沒有導(dǎo)通時所能承受的最大斷態(tài)電壓上升率。過大的靜態(tài)dv/dt會誤觸發(fā)。動態(tài)dv/dt是指關(guān)斷過程中的陽極電壓上升率，4.dv/dt對MOSFET動態(tài)性能影響靜態(tài)dv/dt：會引起MOSFET柵極電壓變化，導(dǎo)致錯誤開通。在柵源間并聯(lián)電阻，可防止誤開通。動態(tài)dv/dt:回路中電感在MOSFET關(guān)斷時，引起動態(tài)dv/dt；工作頻率越高，負(fù)載等效電感越大，器件同時承受大的漏極電流和高漏極電壓，將導(dǎo)致器件損壞。加吸收回路，減小引線長度，采用諧振型電路，可抑制dv/dt二極管恢復(fù)期dv/dt：在MOSFET使用中，二極管發(fā)生續(xù)流過程時，漏極電壓快速上升，內(nèi)部二極管反向恢復(fù)過程中導(dǎo)致?lián)p壞。主要原因是寄生二極管表現(xiàn)為少子器件，有反向恢復(fù)時間，反向恢復(fù)期間存儲電荷快速消失，會增大電流密度和電場強(qiáng)度，引起局部擊穿（如二次擊穿），導(dǎo)致器件損壞。*5-2MOSFET特性參數(shù)參數(shù)名稱符號單位IRF150(N溝道)2N6770（N溝道）IRF9140（P溝道〉最小典型最大最小典型最大最小典型最大漏瀝擊穿電壓少DmV100-500-100開啟電壓V2.04.02.04.0—2.0—4*0櫥源間正向漏電流nA-100-100-100櫥源間反向泄漏電流ZgmnA--100100100零柵壓漏極電流ZdmmA-2501001000-250通態(tài)漏極電流/D<on)A40-6.0-19漏源間通態(tài)直流電阻張a0.0450.0550.30.40.150.2跨導(dǎo)Gt,s9.0118.012.0245.07.0輸入電容CiMpF2000300010002000300011001300輸出電容C*pF10001500200400600550700反向轉(zhuǎn)移電容Cr?pF35050050100200250400開通滯后時間^d(on)ns-35352030上升時間ns-100501015關(guān)斷滯后時間ns-1251501320下降時間tins-100708.012櫥極總電荷QgnC631207090柵源電荷Qg?nC2714柵漏“Milter”電荷QgdnC3656漏極內(nèi)引線電感LdnH5.05.0表5-3漏源間體內(nèi)反并聯(lián)二極管特性參數(shù)參數(shù)名稱符號單位IRF150（N溝道）2N6770（N溝道）IRF9140（P溝道）連續(xù)電流A4012-19脈沖電流幅值A(chǔ)mA16025-76正向壓降VDV2.50?8?1?6-4.2反向恢復(fù)時間trrns6001300170反向恢復(fù)電荷QrrmC3.37.40.8表5-4功率MOSFET與GTR結(jié)構(gòu)性能比較型項(xiàng)目功率MOSFETGTR結(jié)構(gòu)雙擴(kuò)散決定溝道長度，反偏溝道結(jié)，輕摻雜區(qū)達(dá)到高耐壓、垂直導(dǎo)電、襯底為漏極雙擴(kuò)散決定基區(qū)寬度，反偏3電結(jié)，輕摻雜區(qū)達(dá)到高耐壓、n直導(dǎo)電、襯底為集電極特性輸出特性常關(guān)特性，電壓控制型，低電流區(qū)平方伏安特性，大電流區(qū)線性伏安特性，漏極電流正比于溝道寬度常關(guān)特性，電流控制型，指?伏安特性，集電極電流正比于;射區(qū)周長飽和特性受本征溝道電阻和漏區(qū)高阻層的限制，大UCES小，存在集電區(qū)電導(dǎo)調(diào)f效應(yīng)轉(zhuǎn)移持性跨導(dǎo)增大受溝道穿通的限制P增大受電流的限制開啟電壓直接由摻雜決定，輸入阻抗約IO??10門￡)導(dǎo)通電壓由工藝參數(shù)決定，！入阻抗約103?開關(guān)特性多子導(dǎo)電器件?開關(guān)速度快，取決于多子的場漂移運(yùn)動心~Ins,foff^lns有少子存儲效應(yīng)，開關(guān)速度價受少子基區(qū)渡越時間的限制J~50?500ns,toff^500?20001溫度待性電流的溫度系數(shù)為負(fù)，熱穩(wěn)定性好電流的溫度系數(shù)為正，會發(fā)“熱奔"

（續(xù)）項(xiàng)目型功率MOSFETGTR容電壓淺結(jié)器件，需用場板，分壓環(huán)等端部可采用包括臺面在內(nèi)的各來緩和表面電場耐壓可達(dá)1000V種終端結(jié)構(gòu)耐壓可達(dá)2000V量電流不產(chǎn)生電流集中，容易實(shí)現(xiàn)多管電流容易聚集，由于Ube匹配問并聯(lián)容量可達(dá)200A題，不能簡單并聯(lián)容量可達(dá)750A驅(qū)結(jié)構(gòu)由于是常關(guān)型和電壓控制，驅(qū)動雖是常關(guān)型，但需溫度補(bǔ)償，防動電路簡單止熱擊穿，并需保護(hù)電路，復(fù)雜電功率純?nèi)菪暂斎胱杩?，不需要直流電低輸入阻抗，需大的基極電流驅(qū)路流驅(qū)動，只需輸入電容的充放電動三極管原來總是看DATASHEET，以為BJT的CE之間是有不小的壓降，雖然比二極管要小點(diǎn)，但還是很令人畏懼。于是，我習(xí)慣了用NPN管。但是，現(xiàn)在怕是要改變習(xí)慣了，因?yàn)榍‘?dāng)?shù)氖筃PN或PNP三極管，壓降都可以降為零，即Vce=?0V。以下為NPN/PNP的正確用法，且第一種和第四種用法可以使Vce導(dǎo)通壓降接近0V。由于三極管Vbe總不是那么均勻，個體參數(shù)差異較大，所以要保證Ibe足夠大，起碼要保證lbe=