01MOS管的類(lèi)型與應(yīng)用

MOS管屬于電壓驅(qū)動(dòng)型器件，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電子電路中，常作為電子開(kāi)關(guān)、放大器等功能使用。

圖1.0 NMOS和PMOS

NMOS管與PMOS管 電路符號(hào)上的區(qū)別：

箭頭往里：NMOS

箭頭往外：PMOS

箭頭的方向代表了負(fù)電子的走向。

1.1 應(yīng)用例子

下圖1.1中列出NMOS以及PMOS管做為電子開(kāi)關(guān)的應(yīng)用：

圖1.1 NPN及PNP管作開(kāi)關(guān)應(yīng)用

NMOS方式：控制信號(hào)G極為高電平時(shí)MOS管導(dǎo)通；低電平時(shí)，MOS管斷開(kāi)。

PMOS方式：控制信號(hào)G極為低電平時(shí)MOS管導(dǎo)通；高電平時(shí)，MOS管斷開(kāi)。

注意Vgs(th)電壓概念；舉例：規(guī)格書(shū)中 Vgs(th)=5V，是指導(dǎo)通條件：Vgs = Vg - Vs ≥ Vgs(th)（即G極電壓比S極高至少5V）?。例如，若S極接地（0V），則G極需施加≥5V的電壓才能導(dǎo)通?。

對(duì)于 NMOS ，Vgs 是正電壓，當(dāng) Vgs 大于門(mén)閾電壓時(shí)導(dǎo)通。

對(duì)于 PMOS ，Vgs 是負(fù)電壓，當(dāng) Vgs 小于門(mén)閾電壓時(shí)導(dǎo)通。（和NMOS相反，具體看下面內(nèi)容）

1.2 應(yīng)用問(wèn)題的提出與解答

問(wèn)題1：老容易忘記，不知道 NMOS和PMOS 哪個(gè)引腳是作為電源輸入，怎么辦？

記憶方法：不管是N型還是P型， 只要是MOS管的體二極管的負(fù)極（陰極），那就作為電源的輸入端。

體二極管也叫寄生二極管，由于MOSFET的基本結(jié)構(gòu)和制造工藝決定，它的出現(xiàn)是不可避免的；啥是體二極管呢？就是它↓

圖1.2 體二極管

可以把它看做一個(gè)普通的二極管，只是寄生在MOS管當(dāng)中；

而二極管具有單向?qū)щ姷奶匦?，可以想想，如果你的電源輸入端接在體二極管的正極，那你這個(gè)MOS管就失去了它作為開(kāi)關(guān)的意義了（電壓直接通過(guò)體二極管流向了負(fù)極）。

在一些場(chǎng)景的使用中，需要考慮體二極管所帶來(lái)的影響，如：

MOS體二極管的妙用

1、體二極管的正向壓降(Vf)通常比專(zhuān)用二極管高，會(huì)增加MOS管的開(kāi)關(guān)損耗，導(dǎo)致MOS管進(jìn)一步發(fā)熱。

2、在高頻開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，體二極管的反向恢復(fù)時(shí)間(trr)和反向恢復(fù)電流(Irr)會(huì)對(duì)效率和電磁干擾（EMI）產(chǎn)生影響。

3、體二極管的正向壓降會(huì)隨溫度的升高而減?。?a target="_blank">半導(dǎo)體二極管的一個(gè)普遍特性），利用這一特性這可以用來(lái)監(jiān)測(cè)MOSFET的溫度。需要注意的是，溫度升高也增加了反向飽和電流，這可能導(dǎo)致在反向偏置時(shí)的泄漏電流增加，以及在正向偏置時(shí)的總功耗增加，因?yàn)殡娏髋c壓降的乘積代表了功耗。

問(wèn)題2：在上圖1.1中，為什么NMOS管的負(fù)載在電源端？而PMOS管的負(fù)載在接地端？如果將N管的負(fù)載放在接地端 或者 P管的負(fù)載放在電源端會(huì)有什么影響呢？

圖1.3 當(dāng)NMOS負(fù)載在接地端時(shí)

上圖1.3中，NMOS的門(mén)閾電壓Vgs(th)=5V，負(fù)載為蜂鳴器。Vgs正常導(dǎo)通則需要克服負(fù)載蜂鳴器導(dǎo)通時(shí)帶來(lái)的壓降；假設(shè)蜂鳴器的導(dǎo)通壓降為1V，那么5V+1V=6V，當(dāng)G極電壓輸入最小為6V時(shí)，可以使蜂鳴器鳴響。（為什么需要克服負(fù)載壓降？是因?yàn)閂gs(th)閾值指的是G對(duì)S極壓差）。

當(dāng)然，如果所有蜂鳴器都是1V壓降，那這個(gè)電路是沒(méi)有如何問(wèn)題的，但是，如果購(gòu)買(mǎi)的蜂鳴器中有恰好一個(gè)阻抗較高為1.2V，也就是最低需要5V+1.2V=6.2V時(shí)，蜂鳴器才可以正常鳴響。

這就是為什么NMOS管的負(fù)載一般會(huì)設(shè)置在電源端的原因，當(dāng)負(fù)載在電源端時(shí)：Vgs是直接到地的（沒(méi)有其它壓降）；負(fù)載在電源端，無(wú)論阻抗怎么變化，對(duì)控制極（G極）沒(méi)有影響，只要Vgs ≥ 5V（不超出最大額定Vgs電壓），管子就可以正常導(dǎo)通。

一般電源端電壓會(huì)相對(duì)較大一些，所以，負(fù)載的阻抗哪怕再大一點(diǎn)，一般也都能滿(mǎn)足。

圖1.4 PMOS管合理接法

說(shuō)完了NMOS來(lái)說(shuō)一下PMOS，對(duì)于PMOS來(lái)講，Vgs(th)是負(fù)電壓，也就是說(shuō)在NMOS管那里是G極>S極 5V時(shí)導(dǎo)通，而PMOS則是S極>G極 5V導(dǎo)通。自然的，如果PMOS管的負(fù)載還接在電源端，則會(huì)產(chǎn)生壓降，進(jìn)而可能影響到管子的導(dǎo)通。所以PMOS管的負(fù)載一般接在地信號(hào)端。

02 MOS管的關(guān)鍵參數(shù)

2.1、額定電壓（Vds）

額定電壓是MOS管能夠承受的最大電壓。選擇適當(dāng)?shù)念~定電壓能夠確保MOS管在正常工作范圍內(nèi)，避免過(guò)電壓造成的損壞。

圖2.11 MOS的最大額定電壓

與之相對(duì)應(yīng)的還有一個(gè)值：VDSS (有的廠家寫(xiě)V(BR)DSS或BVDSS)，漏-源擊穿電壓（也叫雪崩擊穿電壓）：

圖2.12 漏源擊穿電壓-VDSS

這個(gè)參數(shù)是有條件的，這個(gè)最小值30V是在Ta=25℃的值，也就是只有在Ta=25℃時(shí)，MOSFET上電壓不超過(guò)30V才算是工作在安全狀態(tài)。 （Ta：環(huán)境溫度）

VDS和VDSS二者的區(qū)別：

看似二者相等，但二者還是有著區(qū)別的：

VDS：指漏極與源極之間的瞬時(shí)電壓，屬于動(dòng)態(tài)電壓，可以隨著電路的工作狀態(tài)而變化。

VDSS：是一個(gè)靜態(tài)額定值，表示在MOSFET關(guān)斷（非導(dǎo)通）狀態(tài)時(shí)，漏極和源極之間能夠安全承受的最大電壓。

同時(shí)VDSS有著正溫度系數(shù)特性， 也就是說(shuō)溫度升高時(shí)VDSS的值可能增加；但是，如果電源用在寒冷的地方，環(huán)境溫度低到-40℃甚至更低的話，它的耐壓值反而會(huì)減小。所以在MOSFET使用中，我們都會(huì)保留一定的VDS的電壓裕量。

VDSS 和 漏-源導(dǎo)通電阻 Rds(on) 之間存在正相關(guān)的關(guān)系，因此，在增加 VDSS 的余量也會(huì)增加 Rds(on)。

2.2、閾值電壓（VGS(th)）

VGS(th)又被稱(chēng)之為門(mén)閾電壓 或 開(kāi)啟電壓，指MOS管導(dǎo)通所需的門(mén)源電壓，是MOS管在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)之間的臨界電壓。

NMOS導(dǎo)通條件：

當(dāng)柵極(G極)輸入電壓 > 閾值電壓時(shí)，MOS管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。

當(dāng)柵極(G極)輸入電壓 < 閾值電壓時(shí)，MOS管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。

圖2.21 NMOS的導(dǎo)通電壓

上圖為NMOS的導(dǎo)通電壓，PMOS則為負(fù)壓（導(dǎo)通條件與NMOS相反）。

一般柵極（G極）輸入電壓在4~10V左右可以使MOS管完全導(dǎo)通；

此外，還需要注意絕對(duì)最大參數(shù)：

圖2.22 VGS絕對(duì)最大值

這代表了 柵極(G極) 與 源極(S極) 之間所能施加的最大電壓值。

2.3、最大電流（Id）

最大電流是MOS管能夠承受的最大電流值。在選型時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中電流的最大值來(lái)選擇合適的MOS管，以確保其能夠穩(wěn)定工作并不易受到過(guò)載的影響。 如果流過(guò)的電流超過(guò)該值，會(huì)引起MOS管擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2.3 最大持續(xù)電流Id

另外它下方的 IDM 參數(shù)表示的是漏源之間可承受的單次脈沖電流強(qiáng)度，如果超過(guò)該值，會(huì)引起擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。此參數(shù)會(huì)隨 結(jié)溫Tj 的上升而有所減額。

一般降額50%以上使用，避免工作溫度過(guò)高。（舉例：電路需流過(guò)最大3A的電流，則選擇Id為6A的mos管）。

2.4、跨導(dǎo)（gm）

有的廠家在數(shù)據(jù)手冊(cè)中寫(xiě)gfs，有的是寫(xiě)gm，但本質(zhì)相同，只是在某些數(shù)據(jù)表或文獻(xiàn)中使用不同的命名，統(tǒng)稱(chēng)都是跨導(dǎo)。

在VDS為某一固定數(shù)值的條件下，漏極電流的微變量和引起這個(gè)變化的柵源電壓微變量之比稱(chēng)為跨導(dǎo)。

圖2.4 跨導(dǎo)系數(shù)

它們的單位通常是西門(mén)子（S），或者更常見(jiàn)的毫西門(mén)子（mS）。

gm定義為在靜態(tài)工作點(diǎn)上，漏極電流隨柵源電壓變化的斜率，即：

gm反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制能力；是輸出端電流的變量受輸入端電壓變化的比值。

gm如同三極管的β，是衡量MOS管的放大能力標(biāo)識(shí)之一。

一般在 十分之幾 至 幾mA/V的范圍內(nèi)；

小功率管gm可以做大，大功率管gm一般都很?。?/p>

跨導(dǎo)的大小反映了MOSFET作為電壓控制電流源的效率，大的跨導(dǎo)意味著MOSFET對(duì)柵極電壓的變化更加敏感，從而能夠更有效地控制漏極電流。

gm過(guò)小會(huì)導(dǎo)致MOSFET關(guān)斷速度降低，關(guān)斷能力減弱；過(guò)大會(huì)導(dǎo)致關(guān)斷過(guò)快，EMI特性差，同時(shí)伴隨關(guān)斷時(shí)漏源會(huì)產(chǎn)生更大的關(guān)斷電壓尖峰。

在電路設(shè)計(jì)中，高的gm值通常有利于提高增益和線性度。

2.5、開(kāi)關(guān)速度（Switching Speed）

開(kāi)關(guān)速度是指MOS管從導(dǎo)通到截止（或截止到導(dǎo)通）所需的時(shí)間。

規(guī)格書(shū)中通常需要查看以下幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：

Qg：總輸入電荷（Total Gate Charge），它表示為給定的控制電壓下，從MOSFET的源極和漏極之間傳輸?shù)綎艠O的總電荷量。Qg 的大小直接影響MOSFET的響應(yīng)速度，因?yàn)楦蟮腝g意味著更多的電荷需要被注入或移除，從而導(dǎo)致更長(zhǎng)的開(kāi)關(guān)時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，Qg 越小，MOSFET 的開(kāi)關(guān)速度越快。

Qgs：柵-源電荷（Gate-Source Charge），Qgs是柵極和源極之間的電容在柵極電壓從0V上升到特定驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)累積的電荷量。這部分電荷主要用于克服MOSFET內(nèi)部的柵源電容，幫助建立起控制溝道的電場(chǎng)。

Qgd：柵-漏電荷（Gate-Drain Charge），表示在柵極和漏極之間的電荷量。Qgd 也是影響MOSFET開(kāi)關(guān)速度的重要因素，特別是在MOSFET從導(dǎo)通到截止時(shí)，Qgd 的快速移除對(duì)于減少開(kāi)關(guān)時(shí)間至關(guān)重要。

td(on)：導(dǎo)通延遲時(shí)間（Turn-On Delay Time ），這是指從控制端信號(hào)變化到MOSFET開(kāi)始導(dǎo)通的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間越短，開(kāi)關(guān)速度越快。

td(off)：截止延遲時(shí)間（Turn-Off Delay Time ），這是指從控制端信號(hào)變化到MOSFET完全截止的時(shí)間。截止延遲時(shí)間越短，開(kāi)關(guān)速度越快。

tr：上升時(shí)間（Rise Time），這是指從MOSFET開(kāi)始導(dǎo)通到達(dá)到特定電壓百分比（例如從10%上升到90%）所需的時(shí)間。通常用 tr 表示。

tf：下降時(shí)間（Fall Time），這是指從MOSFET開(kāi)始截止到電壓下降到特定電壓百分比所需的時(shí)間。通常用 tf 表示。

圖2.5 MOS管的開(kāi)關(guān)參數(shù)

為了最小化切換時(shí)間，設(shè)計(jì)時(shí)需要關(guān)注以下幾個(gè)方面：

選擇低輸入電容（Ciss）的MOSFET，因?yàn)闁艠O電容的充電和放電時(shí)間直接影響切換時(shí)間。

提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流，以便快速給柵極電容充電和放電。

優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，減少寄生電感和電阻，這些都會(huì)增加切換時(shí)間。

考慮溫度對(duì)MOSFET特性的影響，高溫可能會(huì)增加切換時(shí)間。

這些參數(shù)共同構(gòu)成了MOSFET的總切換時(shí)間。并且在高速開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，縮短切換時(shí)間是非常重要的，因?yàn)樗苯佑绊懙介_(kāi)關(guān)損耗和效率。MOSFET的切換時(shí)間越短，其在開(kāi)關(guān)過(guò)程中消耗的能量就越少，從而可以實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)頻率和效率。

2.6、導(dǎo)通電阻（Rds(on)）

導(dǎo)通電阻Rds(on)是指當(dāng)MOS管處于完全導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，從漏極（D）到源極（S）之間的電阻。導(dǎo)通電阻越小則MOS管的導(dǎo)通能力越強(qiáng)，能夠更好地滿(mǎn)足高功率負(fù)載需求。

相反的，導(dǎo)通電阻大則會(huì)相應(yīng)造成大的MOS導(dǎo)通損耗（熱損耗）。因此，在選型時(shí)應(yīng)盡量選擇導(dǎo)通電阻較小的MOS管。（注：相同型號(hào)管子并聯(lián)也可降低導(dǎo)通電阻）。

圖2.6 MOSFET的導(dǎo)通電阻

2.7、溫度特性（Temperature Coefficient）

溫度特性描述了MOSFET的性能會(huì)隨著溫度的變化而變化。在選型時(shí)，需要考慮MOS管在實(shí)際應(yīng)用中的工作溫度范圍，并選擇具有良好溫度特性的MOS管，以確保其在不同溫度下的穩(wěn)定性。

溫度特性變化這主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1. 閾值電壓(Vth)變化：

對(duì)于n溝道MOSFET，閾值電壓通常隨溫度升高而略微增加。

對(duì)于p溝道MOSFET，閾值電壓隨溫度升高而降低。

2. 飽和電流(Idsat)：

飽和電流在一定范圍內(nèi)隨溫度的升高而增加。這是因?yàn)檩d流子的遷移率雖然會(huì)下降，但載流子濃度的增加可以補(bǔ)償這一影響。

3. 導(dǎo)通電阻(Rds(on))：

Rds(on)會(huì)隨溫度的升高而增加。這是由于溫度升高導(dǎo)致半導(dǎo)體材料的電阻率增加。

4. 柵極至源極電容(Cgs)：

溫度對(duì)Cgs的影響較小，但在非常高的溫度下，Cgs可能會(huì)略有增加。

5.柵極至漏極電容(Cgd)：

Cgd受溫度的影響也不大，但在高溫條件下可能略有增加。

6. 熱穩(wěn)定性：

MOSFET在高溫下可能會(huì)經(jīng)歷退化，尤其是當(dāng)器件長(zhǎng)時(shí)間工作在接近最大結(jié)溫時(shí)。這可能導(dǎo)致性能下降或壽命縮短。

7. 熱阻：

器件的熱阻決定了其散熱效率。低熱阻意味著更好的熱性能，有助于保持較低的結(jié)溫。

8.雪崩擊穿電壓：

高溫下，MOSFET的擊穿電壓可能會(huì)降低，從而影響其可靠性。

9. 寄生二極管正向壓降：

在體內(nèi)二極管中，正向電壓降隨溫度升高而減小。

2.8、封裝類(lèi)型（Package Type）

封裝類(lèi)型是指MOS管的外觀尺寸和結(jié)構(gòu)。封裝類(lèi)型對(duì)MOS管的安裝和散熱等方面有影響，不同的封裝類(lèi)型適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。在選型時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求選擇合適的封裝類(lèi)型。

圖2.8 MOS管封裝類(lèi)型

2.9、可靠性與質(zhì)量

不同廠家的產(chǎn)品可靠性及質(zhì)量都不相同，選擇可靠的廠商是保證產(chǎn)品能夠穩(wěn)定工作的重要因素；以下是例舉的一些知名的MOSFET制造廠商：

英飛凌 (Infineon)

安森美半導(dǎo)體 (onsemi)

意法半導(dǎo)體 (STMicroelectronics)

東芝 (Toshiba)

瑞薩電子 (Renesas)

華潤(rùn)微電子

士蘭微電子 (Silan Microelectronics)

安世半導(dǎo)體 (Nexperia)

AOS (Alpha & Omega Semiconductor)

威世 (Vishay)

德州儀器 (Texas Instruments, TI)

無(wú)錫新潔能

03 MOS管的工作損耗

MOSFET在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生多種類(lèi)型的損耗，這些損耗主要來(lái)源于MOS管在不同狀態(tài)下的行為特征。以下是MOS管在開(kāi)關(guān)電源和其他應(yīng)用中的主要工作損耗類(lèi)型：

3.1 主要工作損耗

1. 導(dǎo)通損耗（Pon）：

由導(dǎo)通電阻引起的導(dǎo)通損耗計(jì)算公式如下：

1）MOS管處于一直導(dǎo)通狀態(tài)的：

當(dāng)MOS管處于完全導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，會(huì)有電流流過(guò)其漏極和源極。這個(gè)電流在MOS管的導(dǎo)通電阻（Rds(on)）上會(huì)產(chǎn)生電壓降，從而導(dǎo)致功耗。導(dǎo)通損耗可以表示為：

Pon 是導(dǎo)通狀態(tài)下的功率損耗；

Ids是漏極至源極電流（DC直流：用平均電流計(jì)算；AC交流：用RMS電流計(jì)算），單位A（安培）。

Rds(on)是MOS管的導(dǎo)通電阻，單位Ω（歐姆）。

舉例：MOS管DS極流過(guò)電流為5A，導(dǎo)通電阻Rds(on)為32mΩ，計(jì)算：

導(dǎo)通電阻R=32mΩ=0.032Ω

2）MOS管周期性地在導(dǎo)通和截止之間切換的：

在開(kāi)關(guān)電源等應(yīng)用中，MOS管不是一直保持在導(dǎo)通狀態(tài)，而是周期性地在導(dǎo)通和截止之間切換。實(shí)際的導(dǎo)通損耗需要考慮到MOS管在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)導(dǎo)通狀態(tài)所占的比例，即占空比（Duty Cycle），那么導(dǎo)通損耗的計(jì)算公式變?yōu)椋?/p>

或者簡(jiǎn)化為：

D 是占空比（導(dǎo)通時(shí)間與整個(gè)開(kāi)關(guān)周期時(shí)間的比值）；

fsw 是開(kāi)關(guān)頻率；

Ton 是導(dǎo)通時(shí)間。

3）流過(guò)MOS管電流波形不是純直流而是脈沖或交流時(shí)：

在某些情況下，特別是當(dāng)電流波形不是純直流而是脈沖或交流時(shí)，可能需要使用電流的有效值而不是平均值來(lái)更準(zhǔn)確地計(jì)算損耗。損耗計(jì)算公式變?yōu)椋?/p>

Ids(rms) 是電流的有效值。

如電流為交流正弦10A，那么正弦電流有效值則為：10A/1.414=7.07A；以7.07A帶入計(jì)算。

2. 截止損耗（Poff）：

MOS管即使在關(guān)斷狀態(tài)下，MOS管也會(huì)存在少量漏電流Idss，這會(huì)導(dǎo)致靜態(tài)功耗。這種漏電流在高電壓下通過(guò)MOS管的寄生二極管，也會(huì)造成一定的功率損耗。截止損耗可以表示為：

Vds(off)是MOS管截止?fàn)顟B(tài)下的漏源電壓。

Idss是關(guān)斷狀態(tài)下的漏電流

注：Vds(off) 并不是說(shuō)MOS管在截止?fàn)顟B(tài)下本身產(chǎn)生了電壓，而是指在截止?fàn)顟B(tài)下，如果漏極和源極之間存在電壓差，那么這個(gè)電壓差將與微小的漏電流一起產(chǎn)生功率損耗。

另外，在大多數(shù)情況下，MOS管的截止損耗通常非常小，只有在特定的應(yīng)用場(chǎng)景下才需要考慮。例如：在電池供電的電路中，即使很小的漏電流也可能導(dǎo)致電池電量的顯著損失。此外，在一些需要長(zhǎng)時(shí)間保持關(guān)閉狀態(tài)的電路中，如某些電子開(kāi)關(guān)或待機(jī)模式的電路，也需要關(guān)注截止損耗。

3. 開(kāi)關(guān)損耗（Psw）：

開(kāi)關(guān)損耗發(fā)生在MOS管從導(dǎo)通狀態(tài)切換到截止?fàn)顟B(tài)，或反之亦然的過(guò)程中。在這個(gè)過(guò)渡階段，MOS管同時(shí)承受電壓和電流，因此會(huì)消耗能量。開(kāi)關(guān)損耗可以分為兩部分：開(kāi)啟損耗和關(guān)斷損耗，它們可以表示為（簡(jiǎn)化模型）：

系數(shù)0.5是因?yàn)閷OS管導(dǎo)通曲線看成是近似線性，折算成面積功率，系數(shù)就是0.5

Vin是輸入電壓

Io是輸出電流

fsw為開(kāi)關(guān)頻率

tr 和 tf 是MOS管的上升時(shí)間和下降時(shí)間，分別指的是漏源電壓從90%下降到10%和漏源電壓從10%上升到90%的時(shí)間，可以近似看作米勒平臺(tái)的持續(xù)時(shí)間。

影響開(kāi)關(guān)損耗的其他因素：

米勒電容 (Cgd)：MOS管的柵極和漏極之間的米勒電容會(huì)影響開(kāi)關(guān)時(shí)間，進(jìn)而影響開(kāi)關(guān)損耗。

柵極電荷 (Qg)：驅(qū)動(dòng)MOS管所需的柵極電荷也會(huì)影響開(kāi)關(guān)損耗。

開(kāi)關(guān)頻率 (fsw)：更高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致更高的開(kāi)關(guān)損耗，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)事件更頻繁地發(fā)生。

4. 米勒平臺(tái)損耗（PMiller）：

在MOS管的開(kāi)關(guān)過(guò)程中，柵極和漏極之間存在一個(gè)寄生電容，通常稱(chēng)為米勒電容（Cgd）。當(dāng)MOS管開(kāi)始導(dǎo)通時(shí)，這個(gè)電容會(huì)被充電，直到柵源電壓（Vgs）達(dá)到閾值電壓（Vth），此時(shí)MOS管完全導(dǎo)通。在這個(gè)過(guò)程中，柵極（G極）電壓會(huì)暫時(shí)停滯在一個(gè)平臺(tái)上，這就是所謂的米勒平臺(tái)。

圖3.11 米勒平臺(tái)

圖3.12 MOS的寄生電容

寄生電容的叫法：

Cgd（Crss）： 柵極至漏極電容、米勒電容、反向傳輸電容、反饋電容；

Cgs：柵極至源極電容、輸入電容（某些情況下可被視為輸入電容）；

Cds：源極至漏極電容、輸出電容（某些描述中被稱(chēng)為輸出電容）、結(jié)電容；

Ciss：輸入電容，Ciss=Cgd+Cgs；

Coss：輸出電容，Coss=Cgd+Cds；

由于米勒電容的存在，柵極電壓的上升速度減慢，從而延長(zhǎng)了開(kāi)關(guān)時(shí)間。在這段時(shí)間內(nèi)，MOS管處于部分導(dǎo)通狀態(tài)，即在高阻抗和低阻抗?fàn)顟B(tài)之間。此時(shí)，電流可以通過(guò)MOS管，但由于MOS管并未完全導(dǎo)通，它仍然具有較高的導(dǎo)通電阻（Rds(on)），這會(huì)導(dǎo)致功率損耗。

5. 柵極驅(qū)動(dòng)損耗（Pgs）：

柵極驅(qū)動(dòng)損耗（Pgs）是指在驅(qū)動(dòng)MOSFET的柵極進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作時(shí)所消耗的能量。柵極驅(qū)動(dòng)損耗是由柵極電荷（Qg）的充放電過(guò)程中電流通過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)電路的電阻而產(chǎn)生的。

柵極驅(qū)動(dòng)損耗可以通過(guò)下面的公式來(lái)計(jì)算：

Vgs是柵極驅(qū)動(dòng)電壓

Qg 為總驅(qū)動(dòng)電量，可通過(guò)器件規(guī)格書(shū)查找得到

fs為開(kāi)關(guān)頻率

影響柵極驅(qū)動(dòng)損耗的因素：

柵極電荷（Qg）：柵極電荷與MOSFET的柵極電容有關(guān)，包括柵極至源極電容（Cgs）和柵極至漏極電容（Cgd）。更大的柵極電容意味著更多的柵極電荷需要在開(kāi)關(guān)過(guò)程中充放電，從而導(dǎo)致更高的柵極驅(qū)動(dòng)損耗。

開(kāi)關(guān)頻率（fs）：高頻開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)周期更快，柵極驅(qū)動(dòng)損耗會(huì)相應(yīng)增加，因?yàn)闁艠O電荷的充放電過(guò)程更頻繁。

柵極驅(qū)動(dòng)電壓（Vgs）：更高的柵極驅(qū)動(dòng)電壓意味著在柵極電荷充放電過(guò)程中，通過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)電路的電流更大，從而導(dǎo)致更大的功率損耗。

6. 體內(nèi)寄生二極管正向?qū)〒p耗Pd_f：

寄生二極管正向?qū)〒p耗（Pd_f）指的是當(dāng)MOSFET處于關(guān)斷狀態(tài)，但由于電路拓?fù)涞脑颍O管被正向偏置而導(dǎo)通時(shí)，電流流過(guò)二極管所產(chǎn)生的功率損耗。這種損耗通常發(fā)生在以下兩種情況：

續(xù)流路徑： 在開(kāi)關(guān)電源或電機(jī)驅(qū)動(dòng)等應(yīng)用中，當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，寄生二極管可以為電路中的電感提供一個(gè)續(xù)流路徑。在電感電流通過(guò)二極管時(shí)，由于二極管的正向壓降（Vf），會(huì)在二極管上產(chǎn)生損耗。

整流作用： 在某些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，如半橋或全橋轉(zhuǎn)換器，當(dāng)一個(gè)MOSFET關(guān)斷時(shí)，另一個(gè)MOSFET的體二極管可能會(huì)被用來(lái)整流回路中的電流，這同樣會(huì)導(dǎo)致正向?qū)〒p耗。

正向?qū)〒p耗可以通過(guò)下面的公式計(jì)算：

If是通過(guò)二極管的正向電流

Vf是二極管的正向壓降；實(shí)際應(yīng)用中，Vf可能會(huì)隨著電流的增加而略有增加。

7. 體內(nèi)寄生二極管反向恢復(fù)時(shí)間損耗Pd_recover：

當(dāng)MOSFET用作開(kāi)關(guān)器件時(shí)，尤其是在高速開(kāi)關(guān)電源中，體二極管的反向恢復(fù)特性會(huì)對(duì)電路的性能產(chǎn)生顯著影響，特別是產(chǎn)生所謂的反向恢復(fù)損耗（Reverse Recovery Losses）。

1）反向恢復(fù)過(guò)程：

當(dāng)體二極管正向?qū)ê笸蝗环聪蚱脮r(shí)，不會(huì)立即阻止電流流動(dòng)，因?yàn)槎O管內(nèi)部存儲(chǔ)了一些電荷。在反向偏置初期，體二極管會(huì)繼續(xù)導(dǎo)通一段時(shí)間，形成反向恢復(fù)電流。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為反向恢復(fù)過(guò)程，它包括兩個(gè)階段：

存儲(chǔ)電荷釋放：這是由于正向?qū)ㄆ陂g積累的電荷需要時(shí)間來(lái)重新組合和清除。

勢(shì)壘建立：在電荷釋放之后，二極管的PN結(jié)需要時(shí)間來(lái)重新建立其勢(shì)壘，從而阻止反向電流。

2）反向恢復(fù)損耗：

反向恢復(fù)損耗發(fā)生在二極管從正向?qū)顟B(tài)轉(zhuǎn)換到反向阻斷狀態(tài)的過(guò)程中。在反向恢復(fù)期間，二極管同時(shí)承受反向電壓和反向電流，這導(dǎo)致能量在二極管中以熱的形式耗散，即產(chǎn)生了損耗。反向恢復(fù)損耗可以用下面的公式計(jì)算：

Vdr是二極管反向電壓。

Qrr是二極管的反向恢復(fù)電荷。

fs是開(kāi)關(guān)頻率。

3）存在的影響：

反向恢復(fù)損耗會(huì)降低開(kāi)關(guān)電源的效率，增加發(fā)熱，有時(shí)還會(huì)引起EMI（電磁干擾）問(wèn)題。在高頻應(yīng)用中，反向恢復(fù)損耗可能成為總損耗中的主要部分，因此在設(shè)計(jì)中需要特別注意。

3.2 降低損耗的方法

1、減少導(dǎo)通損耗的方法：

選擇低導(dǎo)通電阻的MOS管：選擇具有較低Rds(on)的MOS管可以顯著降低導(dǎo)通損耗。

散熱設(shè)計(jì)：溫度升高會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)通電阻增大，良好的散熱設(shè)計(jì)有助于維持較低的溫度，從而減少導(dǎo)通電阻。

電流管理：通過(guò)限制或調(diào)節(jié)通過(guò)MOS管的電流，可以減少導(dǎo)通損耗。

2、減少截止損耗的方法：

選擇低漏電流的MOS管：選擇具有更低漏電流規(guī)格的MOS管可以減少截止?fàn)顟B(tài)下的損耗。

使用適當(dāng)?shù)钠秒妷海捍_保柵源電壓 (Vgs) 低于閾值電壓 (Vth) 以確保MOS管完全截止。

使用更高級(jí)別的封裝：某些封裝技術(shù)可以更好地隔離漏極和源極，從而減少漏電流。

3、減少開(kāi)關(guān)損耗的方法：

提高開(kāi)關(guān)速度：通過(guò)減小柵極電阻 (Rg) 或使用高性能驅(qū)動(dòng)器，可以減少開(kāi)關(guān)時(shí)間，從而降低開(kāi)關(guān)損耗。

選擇合適的MOS管：選擇具有較低米勒電容 (Cgd) 和柵極電荷 (Qg) 的MOS管。

優(yōu)化電路設(shè)計(jì)：使用適當(dāng)?shù)牟季趾筒季€技術(shù)以減少寄生元件的影響。

采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)：通過(guò)使用零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS) 或零電流開(kāi)關(guān) (ZCS) 技術(shù)，可以在沒(méi)有電壓或電流的情況下進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，從而顯著降低開(kāi)關(guān)損耗。

4、減少米勒平臺(tái)損耗的方法：

降低柵極電阻 (Rg)：減少柵極驅(qū)動(dòng)電阻可以加快柵極電容的充電/放電速率，縮短米勒平臺(tái)時(shí)間。

選用低米勒電容的MOS管：選擇米勒電容Cgd較小的MOS管可以減少米勒平臺(tái)時(shí)間，從而降低損耗。

使用適當(dāng)?shù)?a target="_blank">驅(qū)動(dòng)電路：設(shè)計(jì)良好的驅(qū)動(dòng)電路可以提供足夠的電流來(lái)快速充電和放電米勒電容。

優(yōu)化開(kāi)關(guān)波形：通過(guò)控制開(kāi)關(guān)波形，例如使用斜坡控制或者軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，可以減少米勒平臺(tái)的影響。

5、減少柵極驅(qū)動(dòng)損耗的方法：

優(yōu)化柵極驅(qū)動(dòng)電路：減小柵極驅(qū)動(dòng)電路的輸出阻抗和外部柵極電阻，以減少電流通過(guò)這些阻抗時(shí)的功率損耗。

選擇低Qg的MOSFET：選擇柵極電荷較低的MOSFET，特別是在高頻應(yīng)用中，這可以減少每次開(kāi)關(guān)操作的柵極驅(qū)動(dòng)損耗。

降低開(kāi)關(guān)頻率：雖然這可能會(huì)影響電路的動(dòng)態(tài)性能，但在某些情況下，降低開(kāi)關(guān)頻率可以顯著減少柵極驅(qū)動(dòng)損耗。

使用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)：軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，如零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）或零電流開(kāi)關(guān)（ZCS），可以減少開(kāi)關(guān)瞬態(tài)，從而減少柵極驅(qū)動(dòng)損耗。

6、減少寄生二極管正向?qū)〒p耗的方法：

使用肖特基二極管：肖特基二極管具有比傳統(tǒng)PN結(jié)二極管更低的正向壓降，因此在需要低正向壓降的場(chǎng)合，可以選擇帶有內(nèi)置肖特基二極管的MOSFET或并聯(lián)一個(gè)肖特基二極管。

同步整流：在一些開(kāi)關(guān)模式電源中，可以使用另一只MOSFET來(lái)代替體二極管進(jìn)行續(xù)流，這種方法稱(chēng)為同步整流。由于MOSFET的導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)小于二極管的正向壓降，因此可以大大減少損耗。

優(yōu)化電路設(shè)計(jì)：通過(guò)改進(jìn)電路設(shè)計(jì)，比如使用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，可以減少二極管導(dǎo)通的時(shí)間，從而降低損耗。

7、減少體二極管的反向恢復(fù)損耗的方法：

選擇體二極管特性良好的MOSFET：某些MOSFET的設(shè)計(jì)會(huì)專(zhuān)門(mén)優(yōu)化體二極管的反向恢復(fù)特性，減少Q(mào)RR。

使用肖特基二極管：肖特基二極管沒(méi)有存儲(chǔ)電荷，所以沒(méi)有反向恢復(fù)過(guò)程，適用于要求快速開(kāi)關(guān)的場(chǎng)合。

同步整流：在一些電路設(shè)計(jì)中，可以使用另一個(gè)MOSFET替代體二極管的功能，這種方法稱(chēng)為同步整流，可以大大減少反向恢復(fù)損耗。

電路設(shè)計(jì)優(yōu)化：通過(guò)優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，例如使用零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）或零電流開(kāi)關(guān)（ZCS）技術(shù)，可以減少開(kāi)關(guān)過(guò)程中的反向恢復(fù)損耗。