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器件（七）—MOS管选型及驱动电路设计

news 来源：原创 2025/4/22 13:53:18

MOSFET应用场景

一、电源管理领域

二、电机驱动领域

三、信号处理领域

MOSFET选型—以IMZC120R017M2H为例

关键参数

重要参数

驱动设计

驱动芯片选择—以EG2104为例

电气参数

功能特性

驱动电路设计

自举电路

负压偏置

栅极限流

MOSFET应用场景

一、电源管理领域

开关电源

在开关电源中，MOSFET 作为核心的开关元件，能够快速地进行导通和截止状态的切换。当 MOSFET 导通时，电流通过它给负载供电；截止时，阻止电流流动，典型应用如开关反激式电源。这个过程可以将直流电转换为高频的交流电，然后再经过变压器、整流滤波等环节，得到稳定的低压直流输出。通过控制 MOSFET 的开关频率和占空比，可以调节输出电压的大小，提高电源的效率。而MOSFET具有低导通电阻、高耐压和中频的特性，因此常用于高压输入的电源。

直流 - 直流转换器（DC - DC）

在汽车电子系统中，车载电池通常提供 12V 或 24V 的电压，而汽车中的各种电子设备，如车载信息娱乐系统、车载充电器等，可能需要不同的电压，如 5V 用于 USB 充电接口，MOSFET 可以用于 DC - DC 转换器中进行调节。而由于此时MOSFET上承受的压降较小，因此通常选用集成了驱动的半桥模块来实现低压DC-DC。

二、电机驱动领域

AC-DC

在电动汽车和混合动力汽车的电机驱动系统中，MOSFET 是关键的功率器件。它能够控制大电流和高电压，驱动电动机的运转。例如，在电动汽车的牵引电机系统中，MOSFET 组成的逆变器电路将电池的直流电转换为交流电，为三相交流电机提供动力。

MOSFET 的高开关速度可以精确地控制电机的转速和转矩。通过改变 MOSFET 的脉冲宽度调制（PWM）信号，能够调节电机的运行状态，实现车辆的加速、减速和平稳行驶。

三、信号处理领域

模拟信号开关

在电子设备的信号处理电路中，MOSFET 可以作为模拟信号的开关。例如，在音频信号处理系统中，MOSFET 可以用于切换不同的音频信号通道。当需要选择某个音频输入源时，通过控制 MOSFET 的栅极电压，使其导通，将选定的音频信号通道连接到后续的放大电路。

它具有高输入阻抗、低导通电阻的特点，对模拟信号的传输质量影响较小，能够保证信号的完整性。需要注意的是，MOSFET的工作频段为中频，无法运用在GHz的开关下。

MOSFET选型—以IMZC120R017M2H为例

关键参数

电压：MOSFET的击穿电压（VDS）必须高于施加在MOS两端的最大电压，大概取20%的裕量，譬如flyback电路中就要考虑反射电压叠加输入电压时的最大值，而不能只考虑输入电压。正常DC-DC情况下MOSFET的耐压取输入电压最大值的1.2倍左右，flyback中则取最大电压的2~3倍。

MOSFET的最大电压有400V、650V、750V、1200V、1700V、2000V、3300V等型号，这里Vds的最大值为1200V。

电流：MOSFET的额定电流（IDS）要高于电路中的额定电流，裕量取20%~30%，MOSFET额定电流的本质是散热问题，即 $T_{j}=P_{loss}\times R_{thjA}+T_{A}$ ，公式中 $P_{loss}=I_{ds}^{2} \times R_{dson}$ 。而对输入侧电流没有要求时，输入侧的电流可以通过电阻来限制，此时MOSFET电流裕量可达几倍。

这部分包括了不同温度下MOSFET的额定电流（IDDC）和电流尖峰（IDM）

td(on)和td(off)：MOS管的开通和关断时间决定了它们能工作的最大频率。通常情况下，MOS管的开关频率在几百兆赫兹之间。芯片选型时，MOS管的开关周期可视为max{td(on),td(off)}的5~10倍。

导通时间

关断时间

则可知，这个开关管最大工作频率应该能达到4MHz左右，完全可以应用在工作频率多为几十kHz左右的汽车驱动中。

Vgs栅源电压：栅源电压分为最大值和额定值，最大值一般不超过25V，额定值又分开通和关断。开通电压Vgs(on)的额定值表示MOS完全导通下的栅源电压，一般在15V左右；关断电压Vgs(off)的额定值表示MOS完全关断下的栅源电压，一般在-4V左右。

Vgs最大值

导通和关断时Vgs的推荐值

这里的Vgs(th)为MOSFET导通所需的最小栅极电压，从左至右分别是最小值、标准值和最大值

重要参数

Rdson：导通电阻。前文提到过，MOS的漏源损耗分为导通损耗和开关损耗两个部分，开关损耗主要来自于开关过程中MOS两端电压和电流的重叠部分，由于关断时电压上升速度较慢，因此主要集中在开通时。导通损耗主要由完全开通状态下，Ids流经Rdson产生。因此，当对电路的功率损耗存在要求时，需要对Rdson加以限制。

不同条件下的Rdson

Qg：栅极电荷，表示启动功率器件所需的电荷总量。众所周知，由于米勒电容的存在，在MOS管从关断到导通的过程中，Vgs会经历一个先上升，进入平台，再上升的过程。而这个过程中，流经栅极的电荷量就是Qg。开关管的驱动损耗可以计算为 $P=f_{sw}\times Q_{g}\times V_{gs}$ 。而其中，Qgd表示为Vgs进入平台期所消耗的电荷，也就是给米勒电容充电所需电荷，因此Qgd会影响MOSFET的开关性能，Qgd越小越好。关于米勒效应的详细解释可以看这个博主写的：米勒效应详解-CSDN博客

总开关电荷Qg

表示开关性能的Qgd

Coss：输出电容，也就是MOSFET漏源两端的电容。由于软开关技术的存在，MOSFET的开关损耗可以被降低，因此Coss不作必要考虑。在硬开关的情况下，开关损耗可计算为 $P=V_{ds}^{2}\tfrac{C_{oss}}{2}$

这里的输出电容为126pF

驱动设计

驱动芯片选择—以EG2104为例

电气参数

IO：驱动电流，又分为拉电流和灌电流，拉电流表示驱动端口输出到MOSFET的最大电流，主要体现芯片开通MOS的能力；灌电流表示从MOSFET流入驱动端口的最大电流，主要体现芯片关断MOS的能力。如果驱动能力不足，会导致输出带载时MOS管无法正常开启，会出现反复开通关断的现象，因此驱动能力不够时，需要外接电路加强驱动能力（比如把两个输出端并在一起，或者用逻辑门与门芯片）IC驱动能力是什么？如何判断IC驱动能力？ - 知乎

上图为EG2104的拉电流和灌电流，实际芯片中，栅极最大电流和栅极所串接电阻也有关系。

驱动电压：MOSFET一般需要一定的驱动电压，驱动芯片的驱动电压需与 MOS 管的栅极驱动电压要求精确匹配，过高可能击穿栅极，过低则无法有效驱动 MOS 管。

开关时间特性：体现驱动芯片对输入信号的快速处理能力，更短的响应时间意味着 MOS 管能更迅速地响应输入信号，实现更快的开关速度，从而优化系统动态性能，满足高频应用需求。

开关频率：根据电路所需的开关频率来选择，一般会在数据手册第一页标出

VCC：VCC表示驱动芯片上所加电压，VCC应在电路中辅源电压的范围内，常见辅源电压如3.3V、5V、12V等

功能特性

保护功能 ：如过流保护、过压保护、欠压保护（ULVO）短路保护等，可防止 MOS 管在异常情况下损坏，提高系统可靠性。

功耗：低功耗设计有助于提高系统整体能效，减少能源浪费，在性能满足的前提下，应优先选择功耗更低的芯片。

热性能参数：结温、热阻和散热方式等指标决定了芯片在长时间工作下的温度状态，良好的热性能可防止芯片过热损坏，延长使用寿命。

封装形式 ：常见的有 DIP、SOIC、QFN 等，需根据电路板布局、安装方式和空间限制等因素选择合适的封装形式，以确保芯片安装便捷、稳定。

隔离与非隔离驱动

非隔离驱动 ：适用于低压、同一参考地的电路，如 DC-DC 电源管理。
隔离驱动 ：用于高压或浮动驱动应用，如半桥、全桥逆变器，常见的隔离技术包括光耦合、变压器隔离等。

驱动电路设计

MOS管的驱动电路一般可以直接选择驱动芯片提供的推荐电路。由于EG2104提供的参考电路太过简单，因此我们参考ti的UCC21530驱动芯片，参考电路如下图所示

整个电路包含三个设计点：自举电路、负压偏置和栅极限流

自举电路

Rboot和Cboot组成自举电路。SW置0时，VDD通过Rboot和二极管给Cboot充电；SW置1时，VDDA的电位被Cboot顶上去，二极管的单向导通特性使VDDA＞VDD，实现自举。

这其中，Cboot起储能作用，与导通时间有关，至少比高侧 FET 的栅极电容大 10 倍；Rboot用于限制流过二极管的电流，一般取10Ω。

负压偏置

为了防止电压波动导致的MOS误导通，栅极电路上一般要加负压偏置。在本电路中，电容Cz和齐纳二极管Vz一同组成了负压偏置电路。MOS开通时，OUTA输出正电压，给Cz充电，充电到Vz的击穿电压后击穿Vz；MOS关断时，OUTA两端电压为VSSA-0.3，VSSA引脚连MOS管源极，则此时MOS管栅源电压为-Vcz-0.3V，形成负压偏置。齐纳二极管通常选择击穿电压为4V的。