mos管参数详解及驱动电阻选择.docx

MOSMOS 管参数解释管参数解释 MOS 管介绍管介绍在使用 MOS 管设计开关电源或者马达驱动电路的时候，一般都要考虑 MOS 的导通电阻， 最大电压等，最大电流等因素 MOSFET 管是 FET 的一种，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， 一般主要应用的为增强型的 NMOS 管和增强型的 PMOS 管，所以通常提到的就是这两种 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 在 MOS 管内部，漏极和源极之间会寄生一个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，并且只在单个的 MOS 管中存在此二极管，在集成电路芯片 内部通常是没有的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 MOS 管导通特性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，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适合用于源极接地时的情况(低端驱动低端驱动)，只 要栅极电压达到一定电压（如 4V 或 10V, 其他电压，看手册）就可以了。

PMOS 的特性的特性，Vgs 小于一定的值就会导通，适合用于源极接适合用于源极接 VCC 时的情况时的情况(高端驱动高端驱动) 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 NMOSMOS 开关管损失开关管损失不管是 NMOS 还是 PMOS，导通后都有导通电阻存在，因而在 DS 间流过电流的同时，两 端还会有电压，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毫欧 ，几十毫欧左右 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，导通瞬间电压和电流 的乘积很大，造成的损失也就很大降低开关时间，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MOS 管驱动管驱动MOS 管导通不需要电流，只要 GS 电压高于一定的值，就可以了。

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 普遍用于高端驱动的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，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相同，所以这时栅极电压要比 VCC 大大(4V 或或 10V 其他其他 电压，看手册电压，看手册)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MosfetMosfet 参数含义说明参数含义说明Features: Vds： DS 击穿电压.当 Vgs=0V 时，MOS 的 DS 所能承受的最大电压 Rds(on)：DS 的导通电阻.当 Vgs=10V 时，MOS 的 DS 之间的电阻 Id： 最大 DS 电流.会随温度的升高而降低 Vgs: 最大 GS 电压.一般为：-20V~+20VIdm: 最大脉冲 DS 电流.会随温度的升高而降低，体现一个抗冲击能力，跟脉冲时间也 有关系 Pd: 最大耗散功率 Tj: 最大工作结温，通常为 150 度和 175 度 Tstg: 最大存储温度 Iar: 雪崩电流 Ear: 重复雪崩击穿能量 Eas: 单次脉冲雪崩击穿能量 BVdss： DS 击穿电压 Idss: 饱和 DS 电流，uA 级的电流 Igss: GS 驱动电流，nA 级的电流. gfs: 跨导 Qg: G 总充电电量 Qgs: GS 充电电量 Qgd: GD 充电电量 Td(on): 导通延迟时间，从有输入电压上升到 10%开始到 Vds 下降到其幅值 90%的时间 Tr: 上升时间，输出电压 VDS 从 90% 下降到其幅值 10% 的时间 Td(off): 关断延迟时间，输入电压下降到 90% 开始到 VDS 上升到其关断电压时 10% 的 时间 Tf: 下降时间，输出电压 VDS 从 10% 上升到其幅值 90% 的时间 ( 参考图 4) 。

Ciss: 输入电容，Ciss=Cgd + Cgs. Coss: 输出电容，Coss=Cds +Cgd. Crss: 反向传输电容，Crss=Cgc. MOSFETMOSFET 栅极驱动的优化设计栅极驱动的优化设计1 1 概述概述MOS 管的驱动对其工作效果起着决定性的作用设计师既要考虑减少开关损耗，又要求 驱动波形较好即振荡小、过冲小、EMI 小这两方面往往是互相矛盾的，需要寻求一个平衡 点，即驱动电路的优化设计驱动电路的优化设计包含两部分内容：一是最优的驱动电流、 电压的波形；二是最优的驱动电压、电流的大小在进行驱动电路优化设计之前，必须先 清楚 MOS 管的模型、MOS 管的开关过程、MOS 管的栅极电荷以及 MOS 管的输入输出电容、跨 接电容、等效电容等参数对驱动的影响2 2 MOSMOS 管的模型管的模型MOS 管的等效电路模型及寄生参数如图 1 所示图 1 中各部分的物理意义为：（1）LG和 RG代表封装端到实际的栅极线路的电感和电阻2）C1代表从栅极到源端 N+间的电容，它的值是由结构所固定的3）C2+C4 代表从栅极到源极 P 区间的电容C2是电介质电容，共值是固定的。

而 C4 是由源极到漏极的耗尽区的大小决定，并随栅极电压的大小而改变当栅极电压从 0 升到 开启电压 UGS（th）时，C4使整个栅源电容增加 10%～15%4）C3+C5是由一个固定大小的电介质电容和一个可变电容构成，当漏极电压改变极 性时，其可变电容值变得相当大5）C6是随漏极电压变换的漏源电容MOS 管输入电容（Ciss）、跨接电容（Crss）、输出电容（Coss）和栅源电容、栅漏电容、 漏源电容间的关系如下：3 3 MOSMOS 管的开通过程管的开通过程开关管的开关模式电路如图 2 所示，二极管可是外接的或 MOS 管固有的开关管在开 通时的二极管电压、电流波形如图 3 所示在图 3 的阶段 1 开关管关断，开关电流为零， 此时二极管电流和电感电流相等；在阶段 2 开关导通，开关电流上升，同时二极管电流下 降开关电流上升的斜率和二极管电流下降的斜率的绝对值相同，符号相反；在阶段 3 开 关电流继续上升，二极管电流继续下降，并且二极管电流符号改变，由正转到负；在阶段 4，二极管从负的反向最大电流IRRM开始减小，它们斜率的绝对值相等；在阶段 5 开关管完 全开通，二极管的反向恢复完成，开关管电流等于电感电流。

图 4 是存储电荷高或低的两种二极管电流、电压波形从图中可以看出存储电荷少时， 反向电压的斜率大，并且会产生有害的振动而前置电流低则存储电荷少，即在空载或轻 载时是最坏条件所以进行优化驱动电路设计时应着重考虑前置电流低的情况，即空载或 轻载的情况，应使这时二极管产生的振动在可接受范围内4 4 栅极电荷栅极电荷 Q QG G和驱动效果的关系和驱动效果的关系栅极电荷 QG是使栅极电压从 0 升到 10V 所需的栅极电荷，它可以表示为驱动电流值与 开通时间之积或栅极电容值与栅极电压之积现在大部分 MOS 管的栅极电荷 QG值从几十纳 库仑到一、两百纳库仑栅极电荷 QG包含了两个部分：栅极到源极电荷 QGS；栅极到漏极电荷 QGD—即 “Miller”电荷QGS是使栅极电压从 0 升到门限值（约 3V）所需电荷；QGD是漏极电压下 降时克服“Miller”效应所需电荷，这存在于 UGS曲线比较平坦的第二段（如图 5 所示），此时栅极电压不变、栅极电荷积聚而漏极电压急聚下降，也就是在这时候需要驱动尖峰电 流限制，这由芯睡内部完成或外接电阻完成实际的 QG还可以略大，以减小等效 RON，但是 太大也无益，所以 10V 到 12V 的驱动电压是比较合理的。

这还包含一个重要的事实：需要 一个高的尖峰电流以减小 MOS 管损耗和转换时间重要是的对于 IC 来说，MOS 管的平均电容负荷并不是 MOS 管的输入电容 Ciss,而是等效 输入电容 Ceff(Ceff=QG/UGS)，即整个 0

当然，要得到完全 一样的驱动波形是很困难的，但是可以得到一个大概的驱动电流波形，其上升时间等于理 想的漏极电压下降时间或漏极电流上升的时间，并且具有足够的尖峰值来充电开关期间的 较大等效电容该栅极尖峰电流 IP的计算是：电荷必须完全满足开关时期的寄生电容所需UG(th))6 6 应用实例应用实例在笔者设计的 48V50A 电路中采用双晶体管正激式变换电路，其开关管采用 IXFH24N50，其参数为：根据如前所述，驱动电压、电流的理想波形不应该是一条直线，而应该是如图 6 所示 的波形实验波形见图 77 7 结论结论本文详细介绍了 MOS 管的电路模型、开关过程、输入输出电容、等效电容、电荷存储 等对 MOS 管驱动波形的影响，及根据这些参数对驱动波形的影响进行的驱动波形的优化设 计实例，取得了较好的实际效果影响 MOSFET 开关速度除了其本身固有 Tr,Tf 外,还有一个重要的参数:Qg (栅极总静电荷容量).该 参数与栅极驱动电路的输出内阻共同构成了一个时间参数,影响着 MOSFET 的性能(你主板的 MOSFET 的栅极驱动电路就集成在 IRU3055 这块 PWM 控制芯片内); r6 @0 k“ S/ l3 }4 u, r/ W 厂家给出的 Tr,Tf 值,是在栅极驱动内阻小到可以忽略的情况下测出的,实际应用中就不一样了,特 别是栅极驱动集成在 PWM 。