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MOSFET驱动及工作区的问题分析

2016-12-21 11:39:07 4883

0 问题1：最近，我们公司的技术专家在调试中发现，MOSFET驱动电压过高，会导致电路过载时，MOSFET中电流过大，于是把降低了驱动电压到6.5V，之前我们都是在12V左右。这种做法感觉和您在文章里第四部份似乎很相似，这样做可行么？问题分析：系统短路的时候，功率MOSFET相当于工作在放大的线性区，降低驱动电压，可以降低跨导限制的最大电流，从而降低系统的短路电流，从短路保护的角度而言，确实有一定的效果。然后，降低驱动电压，正常工作时候，RDSON会增大，系统效率会降低，MOSFET的温度会升高，对于器件和系统的可靠性会产生问题。短路保护最好通过优化短路保护电路的设计、减小保护的延时来调节，不建议用降低驱动电压方式来调节负载。如果是CPU控制的系统，可以通过电流检测，当系统电流大于某个设定的异常值后，动态的减小驱动电压，从而减小短路电流的冲击，这种方法是可行的。当系统的负载恢复到正常水平后，驱动电压回到正常的电压值，提高系统正常稳态工作的效率，额外的代价就是要增加一个动态调节驱动电压的电路。问题2：反复看了回顾了一下文章《理解功率MOSFET的电流》，其中关于图片中，可变电阻区，放大区（饱和区）的划分有些不太理解。首先，图中可变电阻区的电流ID与VDS成恒定线性关系，感觉Rdson应该是恒定且极小的吧。其次，在恒流区，ID被VGS限制，此时，VDS急剧升高，Rdson急速升高，此时的MOSFET从跨导的定义来说，由于ID不再增加，因此被定义为饱和区，但为什么又叫做放大区呢？问题分析：（1）可变电阻区表明MOSFET在一定的VGS电压下沟道已经完全导通，此时MOSFET的导通压降VDS由流过的电流ID与导通电阻的乘积来确定。为什么这个区被定义为可变电阻区呢？功率MOSFET数据表中定义的导通电阻都有一定的条件，特别是VGS，当VGS不同时，沟道的饱和程度不同，因此不同的VGS对应的导通电阻并不相同。从漏极导通特性的曲线可以看到：在这个区域，不同的VGS的曲线密集地排在一起，当VGS变化的时候，电流保持不变，对应的VDS压降（电流和导通电阻的乘积）也跟随着变化，也就是导通电阻在变化，可变电阻区由此而得名。在可变电阻区，不同的VGS的曲线密集地排在一起，VGS变化的时候，导通压降变化非常小，这也进一步表明：沟道的饱和程度变化非常小，即便如此，由于导通电阻本身非常小，因此沟道的饱和程度变化产生沟道电阻变化，对于整个导通电阻的占比的影响大，特别是VGS相差比较大的时候，对于导通电阻的影响非常明显，如下图所示。（2）恒流区被称为饱和区、线性区，当VGS一定的时候，沟道对应着一定的饱和程度，也对应着跨导限制的最大电流。恒流区也被称为放大区，因为MOSFET也可以作为信号放大元件，可以工作在和三极管相类似的放大状态，MOSFET的恒流区就相当于三极管的放大区。另外恒流区还可以称为线性区，这些名称只是定义的角度不同，叫法不同。问题3：什么是功率MOSFET的放大区，可否介绍一下？问题回复： MOSFET线性工作区和三极管放大区工作原理一样，如IB=1mA，电流放大倍数为100，IC=100mA。对于MOSFET，VTH=3V，VGS=4V，跨导为20，那么ID=20A，这是稳定的放大区，LDO、信号放大器、功放和恒流源（早期汽车的雨刷、门窗等电机控制电路）等应用，使用MOSFET作为调整管，MOSFET就工作于稳定放大区。开关电源等现代的高频电力电子系统，MOSFET工作于开关状态，相当于在截止区和导变电阻区（完全导通）快速的切换，但是，在切换过程必须跨越放大区，这样电流、电压有交错，于是就产生了开关损耗，因此MOSFET在开关过程中，跨越放大区是产生开关损耗最根本原因。有些应用如热插拨、负载开关等，通过人为地增加放大区时间来控制回路浪涌电流，以后会专门介绍。问题4：PWM芯片的供电电压为5V，去驱动通用驱动电压的功率MOSFET，有什么问题？问题分析：检查数据表中不同的VGS的导通电阻，发现对应的导通电阻变大，因此功率MOSFET的损耗将增加，温度升高，同时系统的效率降低。极端情况下在低温的时候，一些VTH偏上限的器件可能不能正常开通。 2
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