【经验】MOS管驱动电阻器及栅极尖峰电压的防护策略

时间： 2021-08-12 来源：合科泰半导体

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与常规双极晶体管不同，MOS管是电压控制型器件，一般用于小电压控制大电流的情况，包括开关电源、马达控制、继电器控制、LED照明等。应用中，MOS管相当于一个开关，漏极和源极之间还有一个寄生二极管，也称作体二极管。所以，MOS管的驱动比较复杂。

MOS管的损耗

MOS管的导通相当于开关闭合。不管是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，电流通过时就会消耗一定的能量——导通损耗。在器件选型时，我们都会选择导通电阻小的MOS管。目前，小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右，有的只有几毫欧。

图 1 MOS管及导通电阻与VGS和温度的关系

就开关速度而言，MOS的导通和截止一定不是瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损耗是电压和电流的乘积，叫做开关损耗。

通常，开关损耗比导通损耗大得多，而且开关频率越快，损耗也越大。因为，导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损耗也就很大。

应用中，可以通过缩短开关时间、降低开关频率两种方法来减小开关损耗。其中，缩短开关时间可以减小每次导通时的损失，降低开关频率可以减小单位时间内的开关次数

选择最佳的栅极电压VGS

由于MOS管的GS、GD之间存在寄生电容，驱动MOS管实际上就是对这些电容进行充放电。同时，MOS管栅极电阻器也很重要。应选择适当的电阻值，因为它会影响开关速度，进而影响MOS管的开关损耗。

VGS对于MOS管栅极驱动非常重要。MOS管在线性区（即电压低于夹断电压）中运行时，其导通电阻较低。因此对于开关应用，可以在低VDS区中使用MOS管来降低导通电阻。

当MOS管的栅极电压VGS超过其阈值电压Vth时，MOS管开通。因此，VGS必须明显高于Vth。而且，VGS越高，RDS(ON)值就越低；温度越高，RDS(ON)值也就越高。为了减少损耗，必须增大VGS从而最大限度减小器件在当前使用的电流水平下的电阻，从而降低稳态损耗。

相反，高VGS值会增大高频开关情况下驱动损耗对总损耗的比率。因此必须选择最佳的MOS管和栅极驱动电压，常用MOS管的导通电压Vth为4V或10V。

栅极电阻器的选择

一般来说，MOS管的栅极端子上连接一个电阻器。该栅极电阻器的用途包括抑制尖峰电流并减少输出振铃。较大的栅极电阻器会降低MOS管的开关速度，从而导致功率损耗增大，性能降低以及出现潜在的发热问题。

图 2 MOS管栅电阻器的选择

相反，较小的栅极电阻器会提高MOS管的开关速度，易引发电压尖峰和振荡，从而造成器件故障和损坏。

因此，必须选择最佳的栅极电阻器，或通过调节栅极电阻器值来优化MOS管开关速度，有时会使用不同的栅极电阻器来开通和关断MOS管。

尖峰电压的防护

在MOS管的栅极和源极之间外接一个齐纳二极管，可以有效防止发生静电放电和栅极尖峰电压。但要注意，齐纳二极管的电容可能有轻微的不良影响。

图 3MOS管栅极尖峰电压的防护

栅极故障的预防

MOS管的一大问题在于其漏栅电容会导致出现寄生开通（自开通）现象。关断后，MOS管的源极和漏极之间形成陡峭的dv/dt。产生的电流经由漏栅电容流到栅极，导致栅极电阻器中发生的电压降提高栅极电压。

如果dv/dt的斜率极为陡峭，则根据栅源电容与栅漏电容的比率为MOS管的栅极施加电压。如果出现这种情况，可能会发生自开通。如果在二极管反向恢复期间对处于关断状态的MOS管施加快速变化的电压，也可能发生自开通。

图 4用于防止MOS管自开通现象的米勒箝位电路

要防止自开通现象，通常有三种方法：

一是在栅极和源极之间添加一个电容器。

二是将关断栅极电压驱动到负值，避免其超过Vth。

三是采用米勒箝位电路的开关器件，使MOS管的栅极与源极之间的通路发生短路，通过在相关MOS管的栅极和源极之间添加另一个MOS管来实现短路。

虽然驱动电路较双极性晶体管复杂，MOS管独特的开关特性是任何器件都无法替代的，人们还一直在把MOS管从开关电源、马达驱动、照明调光向汽车电子、新能源电力等应用推广。面对新的应用，设计时当然需要有一定的余量，并综合考量MOS管的内部结构和应用环境和发展潜力。

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