MOS管的导通条件和MOS驱动电流计算

发布时间:2023-12-20  

**1. 关于的极限参数说明:**

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在以上图中,我们需要持续关注的参数主要有:

a. **ID(持续漏极电流)**:该参数含义是mos可以持续承受的电流值,在设计中,产品的实际通过电流值应远小于该值,至少应小于1/3以下,例:该mos管的使用持续电流应小于50A。

b. **PD(mos管的最大耗散功率)**:该参数是指设计中,实际通过mos管的电流与漏源两端的电压差值乘积,不应大于该值。 所以该值的很大程度取决于mos管中实际流过的电流值。

c. **Vgs(栅源电压范围)**:该值表示在mos管的实际开启关闭中,GS间所能承受的最大电压范围。

d. **VDSS(漏源间可承受的最大电压差值)**:该值一般我们看最小电压值,在实际设计中mos管DS端的电压差值也应远小于该值,并留有较大余量。(例如该mos管为75V,那么实际设计可承受的电压值应小于40V)。

**2. 关于mos管开启电压参数说明:**

一般在datasheet中,我们一般都只仅仅关注了两个参数值,如下图中参数:



我们许多初级的设计师,在使用mos管一般就会仅仅只关注这两个参数,即Vgs max与vgs th。

vgs max在上面参数中,我们已有说明。

这里我们重点说明下**vgs th**这个参数:

在该mos管中,该值的范围为2v~4v之间,mos工作在放大区域。 即mos管的导通沟道没有完全形成,这时的mos管是极其脆弱的。如果此时我们在mos管DS间设计大的电压,就可能会导致mos管的损坏,具体的原因是mos管没有完全导通,而此时DS压差又很大,又因为mos管自身有电阻的影响,所以导致此时通过mos管的电流也是比较大的。

这里就需要说明mos管的另外两个概念,即:**预夹断&夹断**。

mos管的预夹断:对于N沟道增强型MOS,只要VGS>VGSth,mos管DS之间就会出现反型层(即mos管已经导通,并在DS间形成了一条通道,该通道形成是因为栅极电压VGS的增大,将电子吸引至耗尽层形成),然后这时我们在mos管的DS间设置电压,D端连接电源正极,S端连接电源负极。那么问题就出现了,由于mos管的D端带有正电压,而形成的通道中带有负电,所以此时D端就会出现对通道中电子的吸引。导致耗尽通道中靠近D端的通道越来越窄,而在S端的通道越来越宽的情况(排斥)。如下图所示。




此时随着VDS的逐渐增大,当VDS=VGS-VGS th时,沟通在漏极一端恰好消失,此时就称为预夹断。

mos管的夹断:如果此时的D端电压持续升高,即当VDS>VGS- VGS th时,那么的D端反型层将彻底消失,出现了夹断区域。若此时VGS、VDS持续上升 ,那么S端的电子就会不受VGS控制,直接经过空间电荷区到达漏极,这就会导致DS间直接导通,此时mos管将损坏。


以上的预夹断和夹断将使我们引出MOS管的 I-V曲线概念:


看完以上参数延申出来的问题就是,VGS电压值我们到底应该怎么选呢?它写的2~4v,那么设计时VGS只要大于4V,比如5V就可以了呢?

相信如果你理解了以上参数后,基本就会明白。 在设计时,我们不能仅仅只看VGSth的限制电压,还需要结合VDS电压进行判断。


**3. 关于MOS管开启时,对于栅极的电流是否有要求呢?**

这个问题主要是很多时候的很多同学,都会提出反驳的意见。根据课本上学习的知识,MOS管是电压型控制器件,所以开关时对于栅极的电流没有任何要求。 其实这样的理解是不正确的。 这里就需要再重新理解下MOS管的开关过程。我们需要引入MOS管的寄生电容与米勒效应。


图中的CGD和CGS和CDS都是mos管的寄生电容,它是由于mos管的生产工艺决定的。

看到这里的电容相信很多同学就明白了,我们为什么说MOS管的开关也需要栅极电流的参与。我们可以这样理解,当我们栅极接通电压后,那么此时将先给CGS充电,当CGS充满电后,才会进一步打开mos管。同理我们都知道电容充电时的电流要求是比较大的,如果此时我们的栅极不能提供足够的电流能量,那么VGS处于米勒平台的时间将会特别长,显然这不是我们想要的结果。如下图


所以为了使mos管快速导通,我们就需要在栅极提供足够大的电流,来使mos管快速导通。那么导体需要多大的电流才合适呢?这个其实可以通过datasheet提供的参数Qgs Qgd Qg(此处的单位为电荷量的库仑)进行计算出来。


下面我们根据此MOS计算mos管栅极打开时,所需的电流值,公式如下:


**此处的FSW代表的为mos管开关频率,QG则代表的是mos管寄生电容值(一般我们取最大值)。

以该mos管的QG=170nc,FSW=500K为例计算:

IG=500*170=85000uA=85mA(所以从此处可以看出,当开关频率越高时,栅极所需要的驱动电流越大),显然这样的电流不是我们一般IO管脚可以提供的,所以我们一般采用到了推挽电路(推挽电路需考虑三极管器件的0.7V压降)或者专用的驱动芯片进行驱动**。

**4. MOS管的SOA参数说明:**

最后,我们还需要提一下mos管另一个重要曲线,即mos管的SOA曲线。如下图,在这张图中我们呢就可以根据我们实际的使用场景,来判断出MOS管的持续通电时间,即高电平占空比即周期。


蓝色:在VDS电压比较小时,ID通过的电流大小主要由MOS管的RSDS(on)来进行限制。在该区域内,当VGS电压与环境温度条件不变时时,我们近似把RDSON看似一个定值,由此得出VDS= ID · RDS(ON)。

黄色:在VDS升高到一定的值以后,MOS的安全区域主要由MOS的热阻相关也就是耗散功率来进行限制,而DC曲线则表示当流过电流为连续的直流电流时,MOSFET可以耐受的电流能力。其它标示着时间的曲线则表示MOSFET可以耐受的单个脉冲电流(宽度为标示时间)的能力。单次脉冲是指单个非重复(单个周期)脉冲,单脉冲测试的是管子瞬间耐受耗散功率(雪崩能量)的能力,从这部分曲线来看,时间越短,可以承受的瞬间耗散功率就越大。

红色:MOS管所能承受的最大脉冲漏极电流,也是对最大耗散功率进行了限制。

绿色:MOS管所能承受的VDS最大电压,如果VDS电压过高,PN结会发生反偏雪崩击穿,造成MOS管损坏。


文章来源于:电子产品世界    原文链接
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