MOS管的开关电路常见问题

最新推荐文章于 2025-05-13 14:01:37 发布

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分类专栏：电机驱动文章标签： MOS驱动

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MOS管的误导通和栅极击穿损坏

MOS管的第一个问题是，它的栅漏寄生电容（也叫米勒电容）会导致出现MOS管自开通现象。

一、导致MOS管误导通和栅极击穿损坏的原因是什么呢？

如下图所示，当MOS管从导通状态突然切换到关断状态时，MOS管的源极和漏极之间会产生陡峭的dVDS/dt。产生的电流经米勒电容耦合到栅极，导致在栅极电阻中产生电压降，从而提高栅极电压，产生较大的电压尖峰。产生的电流为：i=Cgd⋅dVDS/dt。

当i⋅Rg＞Vgs(th)时，MOS管就会发生自导通，对于MOS管构成的H桥电路来说，这种自导通会带来上管和下管同时导通的情况发生，可能损坏一个或者两个MOS管。当栅极的尖峰电压超过栅源之间允许的最大电压时，会击穿MOS管的栅极氧化层，导致损坏。

在这里插入图片描述

二、可以怎么做去防止MOS管的误导通和栅极击穿损坏？

1.选择合适的栅极串联电阻。

MOS管的栅极一般都会接一个电阻，那么这个栅极串联电阻有什么作用呢？

第一个作用就是可以限制驱动电流，防止瞬间驱动电流过大导致驱动芯片驱动能力不足或者损坏。MOS管的开启可以看成是对Cgs和Cgd的充电过程，充电瞬间电容相当于短路，电流非常大，驱动芯片瞬间可能无法提供这么大的电流或者因为电流过大而损坏，所以串接一个电阻起限流和保护作用。

第二个作用就是解决上面提到的问题——防止MOS管的误导通和栅极击穿损坏。增大MOS管的栅极串联电阻可以减小开关的导通速度，从而减小dVDS/dt，进而减小栅极的尖峰电压，达到防止MOS管的误导通和栅极氧化层击穿损坏的目的。

但MOS管的栅极电阻过大，会降低开关速度，导致功率损耗增加，引发潜在的发热问题。相反，较小的栅极串联电阻会提高开关速度，容易引发电压尖峰。因此对于栅极电阻的选择要均衡考虑开关速度和尖峰电压的影响。

2.串联合适的栅源电容。
在栅极和源极之间插入一个电容，这个电容会吸收因dVDS/dt而产生的栅漏电流，从而防止MOS管的误导通和栅极击穿损坏。
3.可以在栅源之间并联一个TVS二极管（瞬态电压抑制二极管），但需要选择合适的钳位电压（Vc）。

TVS（TRANSIENTVOLTAGE SUPPRESSOR）二极管是一种抑制过电压的保护元件，也叫ESD（静电保护）二极管。TVS二极管一般反向并联与被保护元件两端，正常工作时，二极管处于截止状态，不影响电路的正常工作；但当电路中有瞬间的高电压冲击时，二极管能够迅速反向击穿导通（导通时间大多为P秒级），将被保护元件两端的电压钳位在一个较低的水平，从而使被保护元件免于损坏。TVS二极管保护元件的原理如下图所示：
在这里插入图片描述

电压振铃

一、MOS管输出电压振铃的原因分析？

电压振铃其实就是MOS管从一个状态切换到另一个状态时，由于寄生电容、寄生电感等参数的存在，导致的电路中电压振荡的现象。
电压振铃现象在MOS管的输入端和输出端其实都能够看到，它们又会通过MOS管的寄生电容相互耦合。

可以利用RLC组成的串联谐振电路来直观的理解MOS管的电压振铃现象。
在一个RLC组成的串联谐振电路中，电阻R起到阻止振荡的阻尼作用，因此R肯定是越大，越不容易振荡。

阻尼比的计算公式为：

在这里插入图片描述
当阻尼比ζ＜1时，属于欠阻尼状态，电路就会发生振荡。

当阻尼比ζ=1时，属于临界阻尼状态，电路不会发生明显的振荡。

当阻尼比ζ＞1时，属于过阻尼状态，电路的阶跃响应速度变慢。

不同阻尼比时的图形如下图所示：
在这里插入图片描述
MOS管开关电路的栅极电阻、寄生电感、栅源寄生电容组成了如下图所示的RLC串联谐振电路

二、减小电压振铃的方法

根据上面电压振荡的原因分析可以知道，要想MOS管在开关状态切换时的电压不发生振荡，只需要让阻尼比ζ＞1即可。
因此，可以从增大栅极串联电阻、减小寄生电感、栅源之间插入小电容的方向去考虑。

其实上面的两个问题也可以归结为一个问题，也往往是同时发生的，可以将尖峰电压当做振铃的第一下电压,之所以分开来讲，是因为我觉得这样可能更容易理解。
通过上面的分析，我们发现，解决的方法中都离不开栅极串联电阻、寄生电感、寄生电容。
上面的都是理论分析，为了让大家能够有一个更为直观的认识，下面我就针对这三个不同的参数，分别简单的进行一下仿真。

仿真+真实案例分析

1.栅极串联电阻的影响仿真分析。
分别让栅极电阻等于0.1Ω、100Ω和1000Ω，其他参数保持一致，对MOS管在开关过程中的栅极的电压进行测试。
在这里插入图片描述

2.栅极寄生电感的影响。分别让栅极寄生电感L1=10nH、L2=100nH和L3=500nH，其他参数都保持一致，看看它对尖峰电压的影响。

R L寄生电感不易被发现，但往往更重要。
下面让我们来看一个因为忽视PCB走线的寄生电感而引起故障的真实案例：
某个项目因为需要改制，所以重新制作了PCB，印制板焊接完成后，测试发现栅极电压发生了大的振荡。如下图所示。
在这里插入图片描述
这明明是一个已经做过的控制方案，器件都一样，为什么重新制板后会发生栅极电压振荡呢？通过排查，仔细对比重制前后的区别，发现这次的设计人员在绘制PCB板时，MOS管驱动芯片距离MOS管的距离远了很多。
这就是PCB板走线的分布电感引发问题的真实案例。