TMC科普课堂系列——MOS管的重要特性，及在开关电源电路中大功率MOS管和晶体三极管的优点

时间： 2024-11-06 来源：台懋

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A. 和晶体三极管相比的重要特性：

1). 场效应管的源极S、栅极G、漏极D分别对应于三极管的发射极e、基极b、集电极c，它们的作用相似，图1-6所示是N沟道MOS管和NPN型晶体三极管引脚，图1-6-B所示是P沟道MOS管和PNP型晶体三极管引脚对应图。

2)．场效应管是电压控制电流器件，由V_GS控制I_D，普通的晶体三极管是电流控制电流器件，由I_b控制I_c。MOS管道放大系数是（跨导gm）当栅极电压改变1V时能引起漏极电流变化多少安培。晶体三极管是电流放大系数（β）当基极电流I_b改变1mA时能引起集电极电流I_c变化多少。

3)．场效应管栅极和其它电极是绝缘的，不产生电流；而三极管工作时基极电流Ib决定集电极电流Ic。因此场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高的多。

4)．场效应管只有多数载流子参与导电；三极管有多数载流子和少数载流子两种载流子参与导电，因少数载流子浓度受温度、辐射等因素影响较大，所以场效应管比三极管的温度稳定性好。

5)．场效应管在源极未与衬底连在一起时，源极和漏极可以互换使用，且特性变化不大，而三极管的集电极与发射极互换使用时，其特性差异很大，放大倍数值将减小很多。

6) ．场效应管的噪声系数很小，在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比较高的电路中最好选用场效应管。

7)．场效应管和普通晶体三极管均可组成各种放大电路和开关电路，但是场效应管制造工艺简单，并且又具有普通晶体三极管不能比拟的优秀特性，在各种电路及应用中正逐步的取代普通晶体三极管，目前的大规模和超大规模集成电路中，已经广泛的采用场效应管。

B. 在开关电源电路中，大功率MOS管和大功率晶体三极管相比MOS管的优点：

1). 输入阻抗高，驱动功率小：由于栅源之间是二氧化硅（SiO₂）绝缘层，栅源之间的直流电阻基本上就是SiO₂绝缘电阻，一般达100MΩ左右，交流输入阻抗基本上就是输入电容C_iss的容抗。由于输入阻抗高，对激励信号不会产生压降，有电压就可以驱动，所以驱动功率极小（灵敏度高）。一般的晶体三极管必需有基极电压V_b，再产生基极电流I_b，才能驱动集电极电流的产生。晶体三极管的驱动是需要功率的（V_b×I_b）。

2). 开关速度快：场效应管的开关速度和输入的容性特性的有很大关系，由于输入容性C_iss特性的存在，使开关的速度变慢，但是在作为开关运用时，可降低驱动电路内阻，加快开关速度,其只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速，开关时间在10—100ns之间，工作频率可达100kHz以上，普通的晶体三极管由于少数载流子的存储效应，使开关总有滞后现象，影响开关速度的提高（目前采用场效应管的开关电源其工作频率可以轻易的做到100K/S～150K/S，这对于普通的大功率晶体三极管来说是难以想象的）。

3). 无二次击穿：由于普通的功率晶体三极管具有当温度上升就会导致集电极电流上升（正的温度～电流特性）的现象，而集电极电流的上升又会导致温度进一步的上升，温度进一步的上升，更进一步的导致集电极电流的上升这一恶性循环。而晶体三极管的耐压V_ceo随管温度升高是逐步下降，这就形成了管温继续上升、耐压继续下降最终导致晶体三极管的击穿，实际应用电路有95%的破环性的热电击穿现象，也称为二次击穿现象。场效应管具有和普通晶体三极管相反的温度-电流特性，即当管温度（或环境温度）上升时，沟道电流I_ds反而下降。例如；一只 I_ds=10A的场效应管，当V_gs控制电压不变时，在75度温度下I_ds=3A，当芯片温度升高为100度时，I_ds降低到2A，这种因温度上升而导致沟道电流I_ds下降的负温度电流特性，使之不会产生恶性循环而热击穿。也就是场效应管没有二次击穿现象，可见采用场应管作为开关管，其开关管的损坏率大幅度的降低，近些年开关电源采用场效应管代替过去的普通晶体三极管后，开关管损坏率大大降低也是一个极好的证明。

4). 场效应管导通后其导通特性呈纯阻性

普通晶体三极管在饱和导通是几乎是直通，有一个极低的压降，称为饱和压降，既然有一个压降，那么也就是；普通晶体三极管在饱和导通后等效是一个阻值极小的电阻，但是这个等效的电阻是一个非线性的电阻（电阻上的电压和流过的电流不能符合欧姆定律），而场效应管作为开关管应用，在饱和导通后也存在一个阻值极小的电阻，但是这个电阻等效一个线性电阻，其电阻的阻值和两端的电压降和流过的电流符合欧姆定律的关系，电流大压降就大，电流小压降就小，导通后既然等效是一个线性元件，线性元件就可以并联应用，当这样两个电阻并联在一起，就有一个自动电流平衡的作用，所以场效应管在一个管子功率不够的时候，可以多管并联应用（保持材料开启电压的一致性），且不必另外增加平衡措施（非线性器件是不能直接并联应用的）。