MOS管知識-MOS管的導(dǎo)通過程和損耗分析詳解-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2020-10-16
MOS管和三極管的特性曲線分別如圖1和圖2所示，它們各自區(qū)間的命名有所不同，其中MOS管的飽和區(qū)也稱為恒流區(qū)、放大區(qū)。其中一個主要的不同點在于MOS管有個可變電阻區(qū)，而三極管則是飽和區(qū)，沒有可變電阻區(qū)的說法。
從圖中也能明顯看出，MOS管在可變電阻區(qū)內(nèi)，Vgs一定時，Id和Vds近似為線性關(guān)系，不同Vgs值對應(yīng)不同的曲線斜率，即漏極D和源極S之間的電阻值Rds受控于Vgs；而三極管在飽和區(qū)內(nèi)，不同Ib值的曲線都重合在一起，即曲線斜率相同，阻值相同。
MOS管導(dǎo)通過程中的各電壓電流曲線如圖3所示，其中Vgs曲線有著名(臭名昭著)的米勒平臺，即Vgs在某段時間(t3-t2)內(nèi)保持不變。
我們知道MOS管是壓控器件，不同于三極管是流控器件，但是實際上MOS管在從關(guān)斷到導(dǎo)通的過程也是需要電流（電荷）的，原因是因為MOS管各極之間存在寄生電容Cgd，Cgs和Cds，如圖4所示。
MOS管導(dǎo)通條件是Vgs電壓至少達到閾值電壓Vgs(th)，其通過柵極電荷對Cgs電容充電實現(xiàn)，當MOS管完全導(dǎo)通后就不需要提供電流了，即壓控的意思。
這三個寄生電容參數(shù)值在MOS管的規(guī)格書中一般是以Ciss，Coss和Crss形式給出，其對應(yīng)關(guān)系為：Cgd=Crss；Cds=Coss-Crss；Cgs=Ciss-Crss。
MOS管損耗主要有開關(guān)損耗（開通損耗和關(guān)斷損耗，關(guān)注參數(shù)Cgd(Crss)）、柵極驅(qū)動損耗（關(guān)注參數(shù)Qg）和導(dǎo)通損耗(關(guān)注參數(shù)Rds(on))等。以如圖10所示的同步BUCK拓撲為例進行說明，由于高側(cè)的開關(guān)管Q1和低側(cè)的同步管Q2組成一個半橋結(jié)構(gòu)，為了防止兩個MOS管同時導(dǎo)通而使輸入回路短路，因此兩個MOS管的驅(qū)動信號會存在一個死區(qū)時間，即兩個MOS管都關(guān)斷。
在死區(qū)時間內(nèi)，由于電感的電流不能突變，因此同步管Q2的寄生體二極管將率先導(dǎo)通進行續(xù)流。正是由于體二極管導(dǎo)通后，同步管Q2才被驅(qū)動導(dǎo)通，在忽略二極管壓降的情況下，同步管Q2導(dǎo)通時兩端電壓為0，可以看作是0電壓導(dǎo)通；同步管Q2導(dǎo)通后，其兩端電壓為0直至關(guān)斷，因此也是0電壓關(guān)斷。
因此，同步管Q2基本沒有開關(guān)損耗，這意味著對于同步管的選取，功耗主要取決于與導(dǎo)通電阻RDS(on)相關(guān)的導(dǎo)通損耗，而開關(guān)損耗可以忽略不計，因此不必考慮柵極電荷Qg。而高側(cè)的開關(guān)管Q1由于開通和關(guān)閉時都不是0電壓，因此要基于導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗綜合來考慮。
所謂開關(guān)損耗是指MOS管在開通和關(guān)斷過程中，電壓和電流不為0，存在功率損耗。由前述MOS管導(dǎo)通過程可知，開關(guān)損耗主要集中在t1~t3時間段內(nèi)。而米勒平臺時間和MOS管寄生電容Crss成正比，其在MOS管的開關(guān)損耗中所占比例最大，因此米勒電容Crss及所對應(yīng)的Qgd在MOS管的開關(guān)損耗中起主導(dǎo)作用。
因此對于MOS管的選型，不僅需要考慮柵極電荷Qg和柵極電阻Rg，也需要同時考慮Crss(Cgd)的大小，其同時也會在規(guī)格書的上升時間tr和下降時間tf參數(shù)上有間接反映，MOS管的關(guān)鍵參數(shù)如圖11所示。
MOS管的各種損耗可以通過以下公式近似估算：
系數(shù)0.5是因為將MOS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；tr和tf是MOS管的上升時間和下降時間，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%的時間，可以近似看作米勒平臺的持續(xù)時間，即圖3中的(t3-t2)。另外，規(guī)格書中的td(on)和td(off)可以近似看作是Vgs電壓從0開始上升到米勒平臺電壓的時間，即圖3中的t2。
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