MOSFET驅(qū)動(dòng)及工作區(qū)的問題分析

小融一號(hào)

問題1：最近，我們公司的技術(shù)專家在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，MOSFET驅(qū)動(dòng)電壓過高，會(huì)導(dǎo)致電路過載時(shí)，MOSFET中電流過大，于是把降低了驅(qū)動(dòng)電壓到6.5V，之前我們都是在12V左右。這種做法感覺和您在文章里第四部份似乎很相似，這樣做可行么？

問題分析：

系統(tǒng)短路的時(shí)候，功率MOSFET相當(dāng)于工作在放大的線性區(qū)，降低驅(qū)動(dòng)電壓，可以降低跨導(dǎo)限制的最大電流，從而降低系統(tǒng)的短路電流，從短路保護(hù)的角度而言，確實(shí)有一定的效果。然后，降低驅(qū)動(dòng)電壓，正常工作時(shí)候，RDSON會(huì)增大，系統(tǒng)效率會(huì)降低，MOSFET的溫度會(huì)升高，對(duì)于器件和系統(tǒng)的可靠性會(huì)產(chǎn)生問題。短路保護(hù)最好通過優(yōu)化短路保護(hù)電路的設(shè)計(jì)、減小保護(hù)的延時(shí)來調(diào)節(jié)，不建議用降低驅(qū)動(dòng)電壓方式來調(diào)節(jié)負(fù)載。

如果是CPU控制的系統(tǒng)，可以通過電流檢測，當(dāng)系統(tǒng)電流大于某個(gè)設(shè)定的異常值后，動(dòng)態(tài)的減小驅(qū)動(dòng)電壓，從而減小短路電流的沖擊，這種方法是可行的。當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)載恢復(fù)到正常水平后，驅(qū)動(dòng)電壓回到正常的電壓值，提高系統(tǒng)正常穩(wěn)態(tài)工作的效率，額外的代價(jià)就是要增加一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓的電路。

問題2：反復(fù)看了回顧了一下文章《理解功率MOSFET的電流》，其中關(guān)于圖片中，可變電阻區(qū)，放大區(qū)（飽和區(qū)）的劃分有些不太理解。首先，圖中可變電阻區(qū)的電流ID與VDS成恒定線性關(guān)系，感覺Rdson應(yīng)該是恒定且極小的吧。其次，在恒流區(qū)，ID被VGS限制，此時(shí)，VDS急劇升高，Rdson急速升高，此時(shí)的MOSFET從跨導(dǎo)的定義來說，由于ID不再增加，因此被定義為飽和區(qū)，但為什么又叫做放大區(qū)呢？

問題分析：

（1）可變電阻區(qū)表明MOSFET在一定的VGS電壓下溝道已經(jīng)完全導(dǎo)通，此時(shí)MOSFET的導(dǎo)通壓降VDS由流過的電流ID與導(dǎo)通電阻的乘積來確定。為什么這個(gè)區(qū)被定義為可變電阻區(qū)呢？

功率MOSFET數(shù)據(jù)表中定義的導(dǎo)通電阻都有一定的條件，特別是VGS，當(dāng)VGS不同時(shí)，溝道的飽和程度不同，因此不同的VGS對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通電阻并不相同。從漏極導(dǎo)通特性的曲線可以看到：在這個(gè)區(qū)域，不同的VGS的曲線密集地排在一起，當(dāng)VGS變化的時(shí)候，電流保持不變，對(duì)應(yīng)的VDS壓降（電流和導(dǎo)通電阻的乘積）也跟隨著變化，也就是導(dǎo)通電阻在變化，可變電阻區(qū)由此而得名。

在可變電阻區(qū)，不同的VGS的曲線密集地排在一起，VGS變化的時(shí)候，導(dǎo)通壓降變化非常小，這也進(jìn)一步表明：溝道的飽和程度變化非常小，即便如此，由于導(dǎo)通電阻本身非常小，因此溝道的飽和程度變化產(chǎn)生溝道電阻變化，對(duì)于整個(gè)導(dǎo)通電阻的占比的影響大，特別是VGS相差比較大的時(shí)候，對(duì)于導(dǎo)通電阻的影響非常明顯，如下圖所示。

（2）恒流區(qū)被稱為飽和區(qū)、線性區(qū)，當(dāng)VGS一定的時(shí)候，溝道對(duì)應(yīng)著一定的飽和程度，也對(duì)應(yīng)著跨導(dǎo)限制的最大電流。恒流區(qū)也被稱為放大區(qū)，因?yàn)镸OSFET也可以作為信號(hào)放大元件，可以工作在和三極管相類似的放大狀態(tài)，MOSFET的恒流區(qū)就相當(dāng)于三極管的放大區(qū)。另外恒流區(qū)還可以稱為線性區(qū)，這些名稱只是定義的角度不同，叫法不同。

問題3：什么是功率MOSFET的放大區(qū)，可否介紹一下？

問題回復(fù)：

MOSFET線性工作區(qū)和三極管放大區(qū)工作原理一樣，如IB=1mA，電流放大倍數(shù)為100，IC=100mA。對(duì)于MOSFET，VTH=3V，VGS=4V，跨導(dǎo)為20，那么ID=20A，這是穩(wěn)定的放大區(qū)，LDO、信號(hào)放大器、功放和恒流源（早期汽車的雨刷、門窗等電機(jī)控制電路）等應(yīng)用，使用MOSFET作為調(diào)整管，MOSFET就工作于穩(wěn)定放大區(qū)。

開關(guān)電源等現(xiàn)代的高頻電力電子系統(tǒng)，MOSFET工作于開關(guān)狀態(tài)，相當(dāng)于在截止區(qū)和導(dǎo)變電阻區(qū)（完全導(dǎo)通）快速的切換，但是，在切換過程必須跨越放大區(qū)，這樣電流、電壓有交錯(cuò)，于是就產(chǎn)生了開關(guān)損耗，因此MOSFET在開關(guān)過程中，跨越放大區(qū)是產(chǎn)生開關(guān)損耗最根本原因。有些應(yīng)用如熱插撥、負(fù)載開關(guān)等，通過人為地增加放大區(qū)時(shí)間來控制回路浪涌電流，以后會(huì)專門介紹。

問題4：PWM芯片的供電電壓為5V，去驅(qū)動(dòng)通用驅(qū)動(dòng)電壓的功率MOSFET，有什么問題？

問題分析：

檢查數(shù)據(jù)表中不同的VGS的導(dǎo)通電阻，發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通電阻變大，因此功率MOSFET的損耗將增加，溫度升高，同時(shí)系統(tǒng)的效率降低。極端情況下在低溫的時(shí)候，一些VTH偏上限的器件可能不能正常開通。

文章來源：微信公眾號(hào)   融創(chuàng)芯城（一站式電子元器件、PCB、PCBA購買服務(wù)平臺(tái)，項(xiàng)目眾包平臺(tái)，方案共享平臺(tái)）