MOS、三极管管用作开关时的区别联系

MOS管开关MOSFET和BJT的工作区域的命名有所不同。BJT中的截止，放大和饱和区相对于MOSFET为截止，饱和，变阻区。MOSFET有个参数Vt——启电压。当Vgs<Vt时，MOSFET处于截止状态，即截止区。当Vgs>Vt且Vds>Vgs-Vt时，为饱和区。当Vgs>Vt且Vds<Vgs-Vt时，MOSFET处在变阻区。如果忽略沟道的长度调制效应，MOSFET的饱和区就是相当于受控恒流源。通常用其作为放大区域使用（类比BJT的放大去）。MOSFET的变阻区相当于一个受Vgs控制的变阻器，当Vgs增大时沟道电阻变小。通常功率MOSFET的Rds可以降到非常之小，以便流过较大的电流。利用MOSFET截止区和变阻区的特性，就可以将MOSFET应用于逻辑或功率开关。现在常用的MOS管大多是N沟道增强型的了，一般一块钱左右的管子，源极电流可以达到近十安培而导通电阻仅在几毫欧。另外现在的MOS管已经不像早期那样脆弱，因为SD上并联有可以承受几安培电流的反向保护二极管。MOS管有几个重要的参数，Vgs,Vds,ld/ls以及Ron,其中对于Vgs也就是栅极控制电压有一些特殊的要求与用法，它就像三极管的Ibe，之所以称为Vgs就是因为这个电压必须相对于S级而言，也就是G极必须比S极高出一定的电压才能驱动MOS管，否则管子不能导通。比如Vgs耐压在12V左右的管子，当Vgs高于1.5V以上时就基本可以认为导通，一般4-5V就可以达到其最小Ron了。但是，由于这个电压是基于S极的，所以对于电源一类的开关管应用场合（靠低压控制高压输入），必须想办法让/gs高于Vs足够高（或者也可以让管子并联于电源，靠储能器件工作于高速开关状态），而为了简化电路一般都是在栅极上添加自举电路。自举电路一般由一个电容和反向二极管组成，相当于给栅极增加了一个串联的电池。自举电容根据使用情况的不同，可以选用极性电容，也可以选择非极性电容。在选择这个电容时，如果电容很小，则电容储能不够，放电很快，开关管很难被有效打开或关闭；如果电容过大，也会导致开关速度受限，电路板面积也会增加。所以，电容要根据开关管工作速度适当选取，一般将电容值选择在放电时间稍长与开关周期即可，具体的参数可以根据实验来确定。相对与N沟道的MOS管，P沟道的管子在驱动起来就稍微容易一些，因为不必再去创造高于电源电压的驱动环境，使用一个简单的三极管调压电路就可以实现了使用MOS管设计开关电源或者马达驱动电路的时候，大部分人都会考虑MOS的导通电阻，最大电压等，最大电流等，也有很多人仅仅考虑这些因素。这样的电路也许是可以工作的，但并不是优秀的，作为正式的产品设计也是不允许的。下面是我对MOSFET及MOSFET驱动电路基础的一点总结，其中参考了一些资料，非全部原创。包括MOS管的介绍，特性，驱动以及应用电路。1，MOS管种类和结构MOSFET管是FET的一种（另一种是JFET），可以被制造成增强型或耗尽型，P沟道或N沟道共4种类型，但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是这两种。至于为什么不使用耗尽型的MOS管，不建议刨根问底。对于这两种增强型MOS管，比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小，且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中，一般都用NMOS。下面的介绍中，也多以NMOS为主。MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在，这不是我们需要的，而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些，但没有办法避免，后边再详细介绍。在MOS管原理图上可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管，在驱动感性负载(如马达)，这个二极管很重要。顺便说一句，体二极管只在单个的MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。2，MOS管导通特性导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况(低端驱动)，只要栅极电压达到4V或10V就可以了。PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况(高端驱动)。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。3，MOS开关管损失不管是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电阻上消耗能量,这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右，几毫欧的也有。MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。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管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多，而且开关频率越快，损失也越大。导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。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。这两种办法都可以减小开关损失。4，MOS管驱动跟双极性晶体管相比，一般认为使MOS管导通不需要电流，只要GS电压高于一定的值，就可以了。这个很容易做到，但是，我们还需要速度。在MOS管的结构中可以看到，在GS，GD之间存在寄生电容，而MOS管的驱动，实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。第二注意的是，普遍用于高端驱动的NMOS,导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同，所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V如果在同一个系统里，要得到比VCC大的电压，就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵，要注意的是应该选择合适的外接电容，以得到足够的短路电流去驱动MOS管。上边说的4V或10V是常用的MOS管的导通电压，设计时当然需要有一定的余量。而且电压越高，导通速度越快，导通电阻也越小。现在也有导通电压更小的MOS管用在不同的领域里，但在12V汽车电子系统里，一般4V导通就够用了。MOS管的驱动电路及其损失，可以参考Microchip公司的AN799MatchingMOSFETDriverstoMOSFETs。讲述得很详细，所以不打算多写了。5，MOS管应用电路MOS管最显著的特性是开关特性好，所以被广泛应用在需要电子开关的电路中，常见的如开关电源和马达驱动，也有照明调光。2008年07月14日星期一10:32一、静态特性MOS管作为开关元件，同样是工作在截止或导通两种状态。由于MOS管是电压控制元件，所以主要由栅源电压uGS决定其工作状态。工作特性如下：探uGSV开启电压UT：MOS管工作在截止区，漏源电流iDS基本为0,输出电压uDS^UDD，MOS管处于"断开"状态，其等效电路如图3.8(b)所示。探uGS＞开启电压UT：MOS管工作在导通区，漏源电流iDS=UDD/(RD+rDS)。其中，rDS为MOS管导通时的漏源电阻。输出电压UDS=UDD・rDS/(RD+rDS),如果rDSVVRD，贝I」uDS"0V,MOS管处于"接通"状态，其等效电路如图3.8(c)所示。二、动态特性

MOS管在导通与截止两种状态发生转换时同样存在过渡过程，但其动态特性主要取决于与电路有关的杂散电容充、放电所需的时间，而管子本身导通和截止时电荷积累和消散的时间是很小的。图3.9(a)和(b)分别给出了一个NMOS管组成的电路及其动态特性示意图。UddyRdIDUiCH_TLUO充电〒ClUddyRdIDUiCH_TLUO充电〒Cl当输入电压ui由高变低，MOS管由导通状态转换为截止状态时，电源UDD通过RD向杂散电容CL充电，充电时间常数t1=RDCL。所以，输出电压uo要通过一定延时才由低电平变为高电平；当输入电压ui由低变高，MOS管由截止状态转换为导通状态时，杂散电容CL上的电荷通过rDS进行放电，其放电时间常数T2"rDSCL。可见，输出电压Uo也要经过一定延时才能转变成低电平。但因为rDS比RD小得多，所以，由截止到导通的转换时间比由导通到截止的转换时间要短。由于MOS管导通时的漏源电阻rDS比晶体三极管的饱和电阻rCES要大得多，漏极外接电阻RD也比晶体管集电极电阻RC大，所以，MOS管的充、放电时间较长，使MOS管的开关速度比晶体三极管的开关速度低。不过，在CMOS电路中，由于充电电路和放电电路都是低阻电路,因此，其充、放电过程都比较快，从而使CMOS电路有较高的开关速度。MOSFET的输入阻抗很高，栅源的极间电容很小NMOS：高导通VGSPMOS：低导通VGS衬底一般跟源极连通，所以N沟道的P衬底跟S极连通，使用时让P衬底接低电位，N衬底接高电位才能导通。无论是N还是Pmos管在D--->S之间都有二极管，此二极管起保护作用。静态dv/dt是指还没有导通时所能承受的最大断态电压上升率。过大的静态dv/dt会误触发。动态dv/dt是指关断过程中的阳极电压上升率，4.dv/dt对MOSFET动态性能影响静态dv/dt：会引起MOSFET栅极电压变化，导致错误开通。在栅源间并联电阻，可防止误开通。动态dv/dt:回路中电感在MOSFET关断时，引起动态dv/dt；工作频率越高，负载等效电感越大，器件同时承受大的漏极电流和高漏极电压，将导致器件损坏。加吸收回路，减小引线长度，采用谐振型电路，可抑制dv/dt二极管恢复期dv/dt：在MOSFET使用中，二极管发生续流过程时，漏极电压快速上升，内部二极管反向恢复过程中导致损坏。主要原因是寄生二极管表现为少子器件，有反向恢复时间，反向恢复期间存储电荷快速消失，会增大电流密度和电场强度，引起局部击穿（如二次击穿），导致器件损坏。*5-2MOSFET特性參数参数名称符号单位IRF150(N沟道)2N6770（N沟道）IRF9140（P沟道〉最小典型最大最小典型最大最小典型最大漏瀝击穿电压少DmV100-500-100开启电压V2.04.02.04.0—2.0—4*0橱源间正向漏电流nA-100-100-100橱源间反向泄漏电流ZgmnA--100100100零栅压漏极电流ZdmmA-2501001000-250通态漏极电流/D<on)A40-6.0-19漏源间通态直流电阻张a0.0450.0550.30.40.150.2跨导Gt,s9.0118.012.0245.07.0输入电容CiMpF2000300010002000300011001300输出电容C*pF10001500200400600550700反向转移电容Cr„pF35050050100200250400开通滞后时间^d(on)ns-35352030上升时间ns-100501015关断滞后时间ns-1251501320下降时间tins-100708.012橱极总电荷QgnC631207090栅源电荷Qg・nC2714栅漏“Milter”电荷QgdnC3656漏极内引线电感LdnH5.05.0表5-3漏源间体内反并联二极管特性參数参数名称符号单位IRF150（N沟道）2N6770（N沟道）IRF9140（P沟道）连续电流A4012-19脉冲电流幅值AmA16025-76正向压降VDV2.50・8〜1・6-4.2反向恢复时间trrns6001300170反向恢复电荷QrrmC3.37.40.8表5-4功率MOSFET与GTR结构性能比较型项目功率MOSFETGTR结构双扩散决定沟道长度，反偏沟道结，轻掺杂区达到高耐压、垂直导电、衬底为漏极双扩散决定基区宽度，反偏3电结，轻掺杂区达到高耐压、n直导电、衬底为集电极特性输出特性常关特性，电压控制型，低电流区平方伏安特性，大电流区线性伏安特性，漏极电流正比于沟道宽度常关特性，电流控制型，指?伏安特性，集电极电流正比于;射区周长饱和特性受本征沟道电阻和漏区高阻层的限制，大UCES小，存在集电区电导调f效应转移持性跨导增大受沟道穿通的限制P增大受电流的限制开启电压直接由掺杂决定，输入阻抗约IO?〜10门£)导通电压由工艺参数决定，！入阻抗约103〜开关特性多子导电器件•开关速度快，取决于多子的场漂移运动心~Ins,foff^lns有少子存储效应，开关速度價受少子基区渡越时间的限制J~50〜500ns,toff^500〜20001温度待性电流的温度系数为负，热稳定性好电流的温度系数为正，会发“热奔"

（续）项目型功率MOSFETGTR容电压浅结器件，需用场板，分压环等端部可采用包括台面在内的各来缓和表面电场耐压可达1000V种终端结构耐压可达2000V量电流不产生电流集中，容易实现多管电流容易聚集，由于Ube匹配问并联容量可达200A题，不能简单并联容量可达750A驱结构由于是常关型和电压控制，驱动虽是常关型，但需温度补偿，防动电路简单止热击穿，并需保护电路，复杂电功率纯容性输入阻抗，不需要直流电低输入阻抗，需大的基极电流驱路流驱动，只需输入电容的充放电动三极管原来总是看DATASHEET，以为BJT的CE之间是有不小的压降，虽然比二极管要小点，但还是很令人畏惧。于是，我习惯了用NPN管。但是，现在怕是要改变习惯了，因为恰当的使NPN或PNP三极管，压降都可以降为零，即Vce=〜0V。以下为NPN/PNP的正确用法，且第一种和第四种用法可以使Vce导通压降接近0V。由于三极管Vbe总不是那么均匀，个体参数差异较大，所以要保证Ibe足够大，起码要保证lbe=