MOS管知識-MOS管的導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，它們各自區間的命名有所不同，其中MOS管的飽和區也稱為恒流區、放大區。其中一個主要的不同點在于MOS管有個可變電阻區，而三極管則是飽和區，沒有可變電阻區的說法。
從圖中也能明顯看出，MOS管在可變電阻區內，Vgs一定時，Id和Vds近似為線性關系，不同Vgs值對應不同的曲線斜率，即漏極D和源極S之間的電阻值Rds受控于Vgs；而三極管在飽和區內，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管在從關斷到導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，當MOS管完全導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值在MOS管的規格書中一般是以Ciss，Coss和Crss形式給出，其對應關系為：Cgd=Crss；Cds=Coss-Crss；Cgs=Ciss-Crss。
MOS管損耗主要有開關損耗（開通損耗和關斷損耗，關注參數Cgd(Crss)）、柵極驅動損耗（關注參數Qg）和導通損耗(關注參數Rds(on))等。以如圖10所示的同步BUCK拓撲為例進行說明，由于高側的開關管Q1和低側的同步管Q2組成一個半橋結構，為了防止兩個MOS管同時導通而使輸入回路短路，因此兩個MOS管的驅動信號會存在一個死區時間，即兩個MOS管都關斷。
在死區時間內，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通進行續流。正是由于體二極管導通后，同步管Q2才被驅動導通，在忽略二極管壓降的情況下，同步管Q2導通時兩端電壓為0，可以看作是0電壓導通；同步管Q2導通后，其兩端電壓為0直至關斷，因此也是0電壓關斷。
因此，同步管Q2基本沒有開關損耗，這意味著對于同步管的選取，功耗主要取決于與導通電阻RDS(on)相關的導通損耗，而開關損耗可以忽略不計，因此不必考慮柵極電荷Qg。而高側的開關管Q1由于開通和關閉時都不是0電壓，因此要基于導通損耗和開關損耗綜合來考慮。
所謂開關損耗是指MOS管在開通和關斷過程中，電壓和電流不為0，存在功率損耗。由前述MOS管導通過程可知，開關損耗主要集中在t1~t3時間段內。而米勒平臺時間和MOS管寄生電容Crss成正比，其在MOS管的開關損耗中所占比例最大，因此米勒電容Crss及所對應的Qgd在MOS管的開關損耗中起主導作用。
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，其同時也會在規格書的上升時間tr和下降時間tf參數上有間接反映，MOS管的關鍵參數如圖11所示。
MOS管的各種損耗可以通過以下公式近似估算：
系數0.5是因為將MOS管導通曲線看成是近似線性，折算成面積功率，系數就是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時間，即圖3中的(t3-t2)。另外，規格書中的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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