MOS管栅极驱动功率与驱动过程分析-KIA MOS管

MOS管栅极驱动功率与驱动过程

在晶体管家族里，MOS管是栅极电压驱动器件，工作中并无直流电流流入栅极，这与基极电流驱动的常规双极晶体管在原理上是完全不同的。在实际电路应用中，一般根据栅极驱动所需的功耗较低的优势，把MOS管用作频率范围从几kHz到几百kHz的开关器件。

MOS管栅极驱动功率

MOSFET驱动器的功耗包含三部分:

1.由于MOSFET栅极电容充电和放电产生的功耗。与MOSFET栅极电容充电和放电有关。这部分功耗通常是最高的，特别在很低的开关频率时。

2.由于MOSFET驱动器吸收静态电流而产生的功耗。高电平时和低电平时的静态功耗。

3. MOSFET驱动器交越导通(穿通)电流产生的功耗。由于MOSFET驱动器交越导通而产生的功耗，通常这也被称为穿通。这是由于输出驱动级的P沟道和N沟道场效应管(FET) 在其导通和截止状态之间切换时同时导通而引起的。

MOS管栅极驱动功率：MOS管栅极驱动电路也有功耗，只是相较双极晶体管这些功耗很小，而且这些功耗随着频率成比例地增大。从驱动电源供应的能量减去在栅极中积累的能量，可以得出栅极电阻器消耗的能量。

在MOS管关断期间，在栅极中积累的能量就是栅极电阻器消耗的能量。对于每个开关事件，所消耗的能量等于驱动电路供应的能量。

驱动过程

工作中，可将MOS管的栅极视为电容。除非对栅极输入电容充电，否则MOS管的栅极电压不会增大，而且在栅极电压达到栅极阈值电压Vth之前，MOS管不会开通。

MOS管的栅极阈值电压Vth是在其源极和漏极区域之间产生传导通道所需的最小栅偏压。考虑驱动电路和驱动电流时，MOS管的栅极电荷Qg比其电容更加重要。

MOS管开启期间，电流流到其栅极，对栅源电容和栅漏电容充电。对栅极端子施加恒定电流时，可将时间乘以恒定栅电流IG，以栅极电荷Qg表示时间轴。

对MOS管施加电压时，其栅极开始积累电荷。将MOS管连接到电感负载时，它会影响与MOS管并联的二极管中的反向恢复电流以及MOS管栅极电压。

在t0-t1时间段内，栅极驱动电路通过栅极串联电阻器R对栅源电容Cgs和栅漏电容Cgd充电，直到栅极电压达到其阈值Vth。

在t1-t2期间，VGS超过Vth，导致漏极中产生电流，最终成为主电流。在此期间，继续对Cgs和Cg充电。栅极电压上升时，漏极电流增大。在t2，栅极电压达到米勒电压。在t0-t1期间，延迟时间t2和R(Cgs＋Cgd)成正比。由于在此期间有漏极电流流过，MOS管会出现功率损耗。

在t2-t3期间，VGS(pl)电压处的VGS受米勒效应影响保持恒定。栅极电压保持恒定。由于在此期间栅极电压保持恒定，因此驱动电流流向Cgd而非Cgs。由于在此期间漏极电压持续降低，而漏极电流保持恒定，因此MOS管会发生功率损耗。

在t3-t4期间，向栅极充电使其达到过饱和状态。对Cgs和Cgd充电，直到栅极电压（VGS）达到栅极供电电压。由于开通瞬态已经消失，在此期间MOS管不会出现开关损耗。

驱动原理

对于双极晶体管，要在集电极中产生电流，必须在基极端子和发射极端子之间施加电流。要使MOS管导通，必须对栅极施加高于额定栅极阈值电压Vth的电压。

MOS管的栅极是一层二氧化硅，由于与源极隔离，向栅极端子施加直流电压理论上不会在栅极中产生电流（在栅极充电和放电的瞬态产生的电流除外）。实践中，栅极中会产生几纳安的微弱电流。

在栅极端子和源极端子之间施加电压时，MOS管在漏极中产生电流。当处于稳态开启或关断状态时，MOS管栅极驱动基本无功耗。

当栅极端子和源极端子之间无电压时，由于漏源极阻抗极高，因此漏极中除泄漏电流之外无电流。通过驱动器输出看到的MOS管，栅源电容根据其内部状态而有所不同。

由于开关电源应用非常普及，用于开关应用（负载开关）的MOS管的需求越来越多。由于能够降低电子器件及电子线路的总体功耗，MOS管也应用在很多其他应用中，并通过逻辑电路或微控制器直接驱动MOS管，例如马达控制、继电器和LED照明等。

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