高手详解，MOS及MOS驱动电路基础总结
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高手详解，MOS及MOS驱动电路基础总结
　　在使用管设计开关电源或者马达驱动电路的时候，大部分人都会考虑管的导通电阻、最大电压、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。本文引用地址：
　　下面是我对及基础的一点总结，其中参考了一些资料。包括MOS管的介绍、特性、驱动以及应用电路。
　　MOSFET管FET的一种(另一种是JEFT)，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，所以通常提到的NMOS，或者PMOS就是指这两种。
　　至于为什么不适用号耗尽型的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管的三个管教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。
　　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，适用于源极接地的情况(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，适用于源极接Vcc的情况(高端驱动)。但是，虽然PMOS可以很方便的用作高端驱动，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，通常还是用NMOS。
　　MOS开关管损失
　　不管是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，这样点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伏左右，几豪欧的也有。
　　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管的损失时电压和电流的乘积，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。
　　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管导通时源极电压和漏极电压(Vcc)相同，所以这是栅极电压要比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，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AN799 matching MOSFET Drivers to MOSFETs, 讲述得很详细，所以不打算多写了。
　　MOS管应用电路
　　MOS管最显著的特性是开关特性好，所以被广泛应用于需要电子开关的电路中，常见的如开关电源和马达驱动电路，也有照明调光。
　　现在的MOS驱动，有几个特别的需求：
　　1. 低压应用
　　当使用5V电源，这时候如果使用传统的图腾柱结构，由于三极管的be只有0.7V左右的压降，导致实际最终加载gate上的电压只有4.3V，这时候，我们选用标称gate电压4.5V的MOS管就存在一定的风险。同样的问题也发生在使用3V或者其他低压电源的场合。
　　2. 宽电压应用
　　输入电压并不是一个固定值，它会随着时间或者其他因素而变动。这个变动导致PWM电路提供给MOS管的驱动电压是不稳定的。
　　为了让MOS管在高gate电压下安全，很多MOS管内置了稳压管强行限制gate电压的幅值。在这种情况下，当提供的驱动电压超过稳压管的电压，就会引起较大的静态功耗。
　　同时，如果简单的用电阻分压的原理降低gate电压，就会出现输入电压比较高的时候，MOS管工作良好，而输入电压降低的时候gate电压不足，引起导通不够彻底，从而增加功耗。
　　3. 双电压应用
　　在一些控制电路中，逻辑部分使用典型的5V或3.3V数字电压，而功率部分使用12V甚至更高的电压。两个电压采用共地方式连接。
　　这就提出一个要求，需要使用一个电路，让低压侧能够有效的控制高压侧的MOS管，同时高压侧的MOS管也同样会面对1和2提到的问题。
　　在这三种情况下，图腾柱结构无法满足输出需求，而很多现成的MOS驱动IC，似乎也没有包含gate电压限制的结构。
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你可能喜欢MOS管 - 如何判断显卡电子元件的好坏
日 16:43 来源：太平洋电脑网 作者：木精灵 (0)
　　MOS篇：
　　MOS的英文全称为MOSFET（metel Oxide Semiconductor Field Effect Transistor），即金属氧化物半导体型场效应管，它在供电电路中是起到栅极电压控制开关的作用。具体来说，每相电路中的MOS分为上桥和下桥，轮番工作，对这一相电路的电感进行充电和放电，最后就能在输出端得到一个稳定的电压。
　　因为每相电路都要有上桥和下桥，所以一相供电电路中至少有两枚MOS，而上桥和下桥都可以并联数枚MOS一起工作的。俗话说人多力量大，数个MOS组合在一起可以有效的提高导通能力。MOS的优劣主要体现在它承受电流、电压的能力，以及内部电阻和转换率的高低。
　　目前MOS分为一般的MOS和整合了驱动开关的MOS两大类。
　　随着显卡的功耗越来越大，MOS承受的压力也空前增加，串联更多MOS的做法受到显卡电路板面积和布线的制约也越来越突出，所以整合型MOS以及电气性更好的MOS纷纷孕育而生。目前比较常见的MOS，依照从弱到强分别是&传统的D-PAK封装的三脚MOS&、&八爪鱼MOS&、&Dr整合MOS&以及先进的&整合驱动开关的数控MOS&。
　　从左到右依次是&传统的D-PAK封装的三脚MOS&、&八爪鱼MOS&、&Dr整合MOS&以及先进的&整合驱动开关的数控MOS&。
　　三脚MOS依然是现在显卡上最常见的，特别是功率不高的显卡上尤其惯用这个小家伙。三脚MOS品牌上，英飞凌和ST是常见的不错的品牌，电气性好内阻适中。八爪鱼MOS是全新的封装形式，它最大的优点是内阻低、转换率高、温度低。Dr整合MOS继承了8脚MOS的优点，不同的是其内部整合进了多个MOS以提高输出和减少占地面积。以上三者均属于一般MOS类别，它们的耐温通常不能高于85度。
　　最后是先进的PWM数控整合MOS，这小东西需要配合一整套全数字控制的供电电路，它拥有传统MOS无可比拟的输出电压准确性、稳定性和寿命，极低的内阻和高达137度+的承受力非常适合为顶级显卡服务。配合优良的电感电容以及先进的供电芯片，其转换率甚至能达到90%甚至更高。
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创新实用技术专题
人类文明的进程至今已经有了六千多年的历史，人类的创新经历了怎...从原理到具体电路，深入剖析MOSFET的工作方式-模拟/电源-与非网
3.高压MOSFET原理与性能分析
在功率半导体器件中，MOSFET以高速、低开关损耗、低驱动损耗在各种功率变换，特别是高频功率变换中起着重要作用。在低压领域，MOSFET没有竞争对手，但随着MOS的耐压提高，随之以2.4-2.6次方增长，其增长速度使MOSFET制造者和应用者不得不以数十倍的幅度降低额定电流，以折中额定电流、导通电阻和成本之间的矛盾。即便如此，高压MOSFET在额定结温下的导通电阻产生的导通压降仍居高不下，耐压500V以上的MOSFET的额定结温、额定电流条件下的导通电压很高，耐压800V以上的导通电压高得惊人，导通损耗占MOSFET总损耗的2/3-4/5，使应用受到极大限制。
3.1降低高压MOSFET导通电阻的原理与方法
3.1.1不同耐压的MOSFET的导通电阻分布。
不同耐压的MOSFET，其导通电阻中各部分电阻比例分布也不同。如耐压30V的MOSFET，其外延层电阻仅为总导通电阻的29%，耐压600V的MOSFET的外延层电阻则是总导通电阻的96.5%.由此可以推断耐压800V的MOSFET的导通电阻将几乎被外延层电阻占据。欲获得高阻断电压，就必须采用高电阻率的外延层，并增厚。这就是常规高压MOSFET结构所导致的高导通电阻的根本原因。
3.1.2降低高压MOSFET导通电阻的思路。
增加管芯面积虽能降低导通电阻，但成本的提高所付出的代价是商业品所不允许的。引入少数载流子导电虽能降低导通压降，但付出的代价是开关速度的降低并出现拖尾电流，开关损耗增加，失去了MOSFET的高速的优点。
以上两种办法不能降低高压MOSFET的导通电阻，所剩的思路就是如何将阻断高电压的低掺杂、高电阻率区域和导电通道的高掺杂、低电阻率分开解决。如除导通时低掺杂的高耐压外延层对导通电阻只能起增大作用外并无其他用途。这样，是否可以将导电通道以高掺杂较低电阻率实现，而在MOSFET关断时，设法使这个通道以某种方式夹断，使整个器件耐压仅取决于低掺杂的N-外延层。基于这种思想，1988年INFINEON推出内建横向电场耐压为600V的COOLMOS，使这一想法得以实现。内建横向电场的高压MOSFET的剖面结构及高阻断电压低导通电阻的示意图如图5所示。
与常规MOSFET结构不同，内建横向电场的MOSFET嵌入垂直P区将垂直导电区域的N区夹在中间，使MOSFET关断时，垂直的P与N之间建立横向电场，并且垂直导电区域的N掺杂浓度高于其外延区N-的掺杂浓度。
当VGS＜VTH时，由于被电场反型而产生的N型导电沟道不能形成，并且D，S间加正电压，使MOSFET内部PN结反偏形成耗尽层，并将垂直导电的N区耗尽。这个耗尽层具有纵向高阻断电压，如图5（b）所示，这时器件的耐压取决于P与N-的耐压。因此N-的低掺杂、高电阻率是必需的。
当CGS＞VTH时，被电场反型而产生的N型导电沟道形成。源极区的电子通过导电沟道进入被耗尽的垂直的N区中和正电荷，从而恢复被耗尽的N型特性，因此导电沟道形成。由于垂直N区具有较低的电阻率，因而导通电阻较常规MOSFET将明显降低。
通过以上分析可以看到：阻断电压与导通电阻分别在不同的功能区域。将阻断电压与导通电阻功能分开，解决了阻断电压与导通电阻的矛盾，同时也将阻断时的表面PN结转化为掩埋PN结，在相同的N-掺杂浓度时，阻断电压还可进一步提高。
3.2内建横向电场MOSFET的主要特性
3.2.1导通电阻的降低。
INFINEON的内建横向电场的MOSFET，耐压600V和800V，与常规MOSFET器件相比，相同的管芯面积，导通电阻分别下降到常规MOSFET的1/5，1/10；相同的额定电流，导通电阻分别下降到1/2和约1/3.在额定结温、额定电流条件下，导通电压分别从12.6V，19.1V下降到6.07V，7.5V；导通损耗下降到常规MOSFET的1/2和1/3.由于导通损耗的降低，发热减少，器件相对较凉，故称COOLMOS.
3.2.2封装的减小和热阻的降低。
相同额定电流的COOLMOS的管芯较常规MOSFET减小到1/3和1/4，使封装减小两个管壳规格。
由于COOLMOS管芯厚度仅为常规MOSFET的1/3，使TO-220封装RTHJC从常规1℃/W降到0.6℃/W；额定功率从125W上升到208W，使管芯散热能力提高。
。2.3开关特性的改善。
COOLMOS的栅极电荷与开关参数均优于常规MOSFET，很明显，由于QG，特别是QGD的减少，使COOLMOS的开关时间约为常规MOSFET的1/2；开关损耗降低约50%.关断时间的下降也与COOLMOS内部低栅极电阻（＜1&O＝有关。
3.2.4抗雪崩击穿能力与SCSOA.
目前，新型的MOSFET无一例外地具有抗雪崩击穿能力。COOLMOS同样具有抗雪崩能力。在相同额定电流下，COOLMOS的IAS与ID25℃相同。但由于管芯面积的减小，IAS小于常规MOSFET，而具有相同管芯面积时，IAS和EAS则均大于常规MOSFET.
COOLMOS的最大特点之一就是它具有短路安全工作区（SCSOA），而常规MOS不具备这个特性。COOLMOS的SCSOA的获得主要是由于转移特性的变化和管芯热阻降低。COOLMOS的转移特性如图6所示。从图6可以看到，当VGS＞8V时，COOLMOS的漏极电流不再增加，呈恒流状态。特别是在结温升高时，恒流值下降，在最高结温时，约为ID25℃的2倍，即正常工作电流的3-3.5倍。在短路状态下，漏极电流不会因栅极的15V驱动电压而上升到不可容忍的十几倍的ID25℃，使COOLMOS在短路时所耗散的功率限制在350V&2ID25℃，尽可能地减少短路时管芯发热。管芯热阻降低可使管芯产生的热量迅速地散发到管壳，抑制了管芯温度的上升速度。因此，COOLMOS可在正常栅极电压驱动，在0.6VDSS电源电压下承受10ΜS短路冲击，时间间隔大于1S，1000次不损坏，使COOLMOS可像IGBT一样，在短路时得到有效的保护。
3.3关于内建横向电场高压MOSFET发展现状
继INFINEON1988年推出COOLMOS后，2000年初ST推出500V类似于COOLMOS的内部结构，使500V，12A的MOSFET可封装在TO-220管壳内，导通电阻为0.35&O，低于IRFP450的0.4&O，电流额定值与IRFP450相近。IXYS也有使用COOLMOS技术的MOSFET.IR公司也推出了SUPPER220，SUPPER247封装的超级MOSFET，额定电流分别为35A，59A，导通电阻分别为0.082&O，0.045&O，150℃时导通压降约4.7V.从综合指标看，这些MOSFET均优于常规MOSFET，并不是因为随管芯面积增加，导通电阻就成比例地下降，因此，可以认为，以上的MOSFET一定存在类似横向电场的特殊结构，可以看到，设法降低高压MOSFET的导通压降已经成为现实，并且必将推动高压MOSFET的应用。
3.4 COOLMOS与IGBT的比较
600V、800V耐压的COOLMOS的高温导通压降分别约6V，7.5V，关断损耗降低1/2，总损耗降低1/2以上，使总损耗为常规MOSFET的40%-50%.常规600V耐压MOSFET导通损耗占总损耗约75%，对应相同总损耗超高速IGBT的平衡点达160KHZ，其中开关损耗占约75%.由于COOLMOS的总损耗降到常规MOSFET的40%-50%，对应的IGBT损耗平衡频率将由160KHZ降到约40KHZ，增加了MOSFET在高压中的应用。
从以上讨论可见，新型高压MOSFET使长期困扰高压MOSFET的导通压降高的问题得到解决；可简化整机设计，如散热器件体积可减少到原40%左右；驱动电路、缓冲电路简化；具备抗雪崩击穿能力和抗短路能力；简化保护电路并使整机可靠性得以提高。
4.功率MOSFET驱动电路
功率MOSFET是电压型驱动器件，没有少数载流子的存贮效应，输入阻抗高，因而开关速度可以很高，驱动功率小，电路简单。但功率MOSFET的极间电容较大，输入电容CISS、输出电容COSS和反馈电容CRSS与极间电容的关系可表述为：
功率MOSFET的栅极输入端相当于一个容性网络，它的工作速度与驱动源内阻抗有关。由于CISS的存在，静态时栅极驱动电流几乎为零，但在开通和关断动态过程中，仍需要一定的驱动电流。假定开关管饱和导通需要的栅极电压值为VGS，开关管的开通时间TON包括开通延迟时间TD和上升时间TR两部分。
开关管关断过程中，CISS通过ROFF放电，COSS由RL充电，COSS较大，VDS（T）上升较慢，随着VDS（T）上升较慢，随着VDS（T）的升高COSS迅速减小至接近于零时，VDS（T）再迅速上升。
根据以上对功率MOSFET特性的分析，其驱动通常要求：触发脉冲要具有足够快的上升和下降速度；②开通时以低电阻力栅极电容充电，关断时为栅极提供低电阻放电回路，以提高功率MOSFET的开关速度；③为了使功率MOSFET可靠触发导通，触发脉冲电压应高于管子的开启电压，为了防止误导通，在其截止时应提供负的栅源电压；④功率开关管开关时所需驱动电流为栅极电容的充放电电流，功率管极间电容越大，所需电流越大，即带负载能力越大。
4.1几种MOSFET驱动电路介绍及分析
4.1.1不隔离的互补驱动电路。
图7（a）为常用的小功率驱动电路，简单可靠成本低。适用于不要求隔离的小功率开关设备。图7（b）所示驱动电路开关速度很快，驱动能力强，为防止两个MOSFET管直通，通常串接一个0.5～1&O小电阻用于限流，该电路适用于不要求隔离的中功率开关设备。这两种电路特点是结构简单。
功率MOSFET属于电压型控制器件，只要栅极和源极之间施加的电压超过其阀值电压就会导通。由于MOSFET存在结电容，关断时其漏源两端电压的突然上升将会通过结电容在栅源两端产生干扰电压。常用的互补驱动电路的关断回路阻抗小，关断速度较快，但它不能提供负压，故抗干扰性较差。为了提高电路的抗干扰性，可在此种驱动电路的基础上增加一级有V1、V2、R组成的电路，产生一个负压，电路原理图如图8所示。
当V1导通时，V2关断，两个MOSFET中的上管的栅、源极放电，下管的栅、源极充电，即上管关断，下管导通，则被驱动的功率管关断；反之V1关断时，V2导通，上管导通，下管关断，使驱动的管子导通。因为上下两个管子的栅、源极通过不同的回路充放电，包含有V2的回路，由于V2会不断退出饱和直至关断，所以对于S1而言导通比关断要慢，对于S2而言导通比关断要快，所以两管发热程度也不完全一样，S1比S2发热严重。
该驱动电路的缺点是需要双电源，且由于R的取值不能过大，否则会使V1深度饱和，影响关断速度，所以R上会有一定的损耗。
4.1.2隔离的驱动电路
（1）正激式驱动电路。电路原理如图9（a）所示，N3为去磁绕组，S2为所驱动的功率管。R2为防止功率管栅极、源极端电压振荡的一个阻尼电阻。因不要求漏感较小，且从速度方面考虑，一般R2较小，故在分析中忽略不计。
其等效电路图如图9（b）所示脉冲不要求的副边并联一电阻R1，它做为正激变换器的假负载，用于消除关断期间输出电压发生振荡而误导通。同时它还可以作为功率MOSFET关断时的能量泄放回路。该驱动电路的导通速度主要与被驱动的S2栅极、源极等效输入电容的大小、S1的驱动信号的速度以及S1所能提供的电流大小有关。由仿真及分析可知，占空比D越小、R1越大、L越大，磁化电流越小，U1值越小，关断速度越慢。该电路具有以下优点：
①电路结构简单可靠，实现了隔离驱动。
②只需单电源即可提供导通时的正、关断时负压。
③占空比固定时，通过合理的参数设计，此驱动电路也具有较快的开关速度。
该电路存在的缺点：一是由于隔离变压器副边需要噎嗝假负载防振荡，故电路损耗较大；二是当占空比变化时关断速度变化较大。脉宽较窄时，由于是储存的能量减少导致MOSFET栅极的关断速度变慢。
（2）有隔离变压器的互补驱动电路。如图10所示，V1、V2为互补工作，电容C起隔离直流的作用，T1为高频、高磁率的磁环或磁罐。
导通时隔离变压器上的电压为（1-D）Ui、关断时为D Ui，若主功率管S可靠导通电压为12V，而隔离变压器原副边匝比N1/N2为12/［（1-D）Ui］。为保证导通期间GS电压稳定C值可稍取大些。该电路具有以下优点：
①电路结构简单可靠，具有电气隔离作用。当脉宽变化时，驱动的关断能力不会随着变化。
②该电路只需一个电源，即为单电源工作。隔直电容C的作用可以在关断所驱动的管子时提供一个负压，从而加速了功率管的关断，且有较高的抗干扰能力。
但该电路存在的一个较大缺点是输出电压的幅值会随着占空比的变化而变化。当D较小时，负向电压小，该电路的抗干扰性变差，且正向电压较高，应该注意使其幅值不超过MOSFET栅极的允许电压。当D大于0.5时驱动电压正向电压小于其负向电压，此时应该注意使其负电压值不超过MOAFET栅极允许电压。所以该电路比较适用于占空比固定或占空比变化范围不大以及占空比小于0.5的场合。
（3）集成芯片UC构成的驱动电路
电路构成如图11所示。其中UC3724用来产生高频载波信号，载波频率由电容CT和电阻RT决定。一般载波频率小于600kHz，4脚和6脚两端产生高频调制波，经高频小磁环变压器隔离后送到UC3725芯片7、8两脚经UC3725进行调制后得到驱动信号，UC3725内部有一肖特基整流桥同时将7、8脚的高频调制波整流成一直流电压供驱动所需功率。一般来说载波频率越高驱动延时越小，但太高抗干扰变差；隔离变压器磁化电感越大磁化电流越小，UC3724发热越少，但太大使匝数增多导致寄生参数影响变大，同样会使抗干扰能力降低。根据实验数据得出：对于开关频率小于100kHz的信号一般取（400～500）kHz载波频率较好，变压器选用较高磁导如5K、7K等高频环形磁芯，其原边磁化电感小于约1毫亨左右为好。这种驱动电路仅适合于信号频率小于100kHz的场合，因信号频率相对载波频率太高的话，相对延时太多，且所需驱动功率增大，UC3724和UC3725芯片发热温升较高，故100kHz以上开关频率仅对较小极电容的MOSFET才可以。对于1kVA左右开关频率小于100kHz的场合，它是一种良好的驱动电路。该电路具有以下特点：单电源工作，控制信号与驱动实现隔离，结构简单尺寸较小，尤其适用于占空比变化不确定或信号频率也变化的场合。
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