揭秘 MOS 管：快速關(guān)斷需求背后的原理與原因

• 來源：宇芯電子 更新時(shí)間：2025-09-13 11:23:13點(diǎn)擊：6次

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  揭秘 MOS 管：快速關(guān)斷需求背后的原理與原因

  
  

  在電子電路設(shè)計(jì)中，MOS 管是一種廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體器件，其開通和關(guān)斷過程的控制至關(guān)重要。我們常常會(huì)遇到這樣的問題：為什么經(jīng)常要求 MOS 管快速關(guān)斷，而對(duì)其快速開通的要求相對(duì)較低呢？下面我們將深入探討這個(gè)問題。

   

  常見MOS 管驅(qū)動(dòng)電路

   

  首先，我們來看一下常見的MOS 管驅(qū)動(dòng)電路。

   

  

   圖1 常見的 MOS 管的驅(qū)動(dòng)電路

   

  MOS 管快關(guān)的原理

   

  MOS 管開通和關(guān)斷的過程，本質(zhì)上是 MOS 管柵極電容充電和放電的過程。柵極串聯(lián)的電阻越大，充放電速度越慢，開通和關(guān)斷也就越慢。當(dāng)沒有二極管 D 和電阻 Rs_off 時(shí)，開通時(shí)充電和關(guān)斷時(shí)放電的串聯(lián)電阻都是 Rs_on，二者相同。

   

  那么，為什么加上二極管D 和電阻 Rs_off（有時(shí) Rs_off = 0Ω，即沒有這個(gè)電阻）就可以實(shí)現(xiàn)快關(guān)呢？

   

  當(dāng)要開通MOS 管時(shí)，驅(qū)動(dòng)器輸出驅(qū)動(dòng)電壓 Vg_drive，在 MOS 管完全開通之前，Vg_drive 都大于 MOS 的柵極電壓，此時(shí)二極管不導(dǎo)通，相當(dāng)于 Vg_drive 通過電阻 Rs_on 給柵極進(jìn)行充電。由此可見，加不加 Rs_off 和二極管 D，對(duì) MOS 管的開通速度沒有影響。

   

  當(dāng)要關(guān)斷MOS 管時(shí)，Vg_drive 接 GND，柵極電壓大于 Vg_drive，二極管導(dǎo)通，相當(dāng)于柵極通過 Rs_off 并聯(lián) Rs_on 進(jìn)行放電（嚴(yán)格來說，這里面還有一個(gè)二極管的導(dǎo)通壓降，并不是很嚴(yán)謹(jǐn)）。由于兩個(gè)電阻并聯(lián)后的電阻小于并聯(lián)之前的任何一個(gè)電阻，所以放電時(shí)的等效串聯(lián)電阻為 Rs_off//Rs_on，小于開通時(shí)的串聯(lián)電阻 Rs_on。而電阻越小，充放電速度越快，因此加上 Rs_off 和二極管 D 可以加速關(guān)斷。

   

  同電阻時(shí)關(guān)斷時(shí)間更長(zhǎng)的原因

   

  結(jié)合之前的內(nèi)容，我們知道MOS 管開通的損耗主要發(fā)生在 t2 和 t3 時(shí)間段，關(guān)斷損耗主要發(fā)生在 t6 和 t7 階段。

   

   

  圖2 MOS 管開通和關(guān)斷損耗階段

   

  t2 與 t7 階段的差異

   

  開通的t2 階段和關(guān)斷的 t7 階段互為逆過程。t2 階段是柵極從門限電壓 Vgs (th) 充電到米勒平臺(tái)電壓 Vgp 的時(shí)間，t7 階段是柵極從米勒平臺(tái)電壓 Vgp 放電到門限電壓 Vgs (th) 的時(shí)間。雖然它們互為逆過程，但實(shí)際時(shí)間不同，這是因?yàn)槌潆姾头烹姷那€不同。

   

  MOS 管開通和關(guān)斷的電路模型對(duì)比如下：

   

  

  圖3 MOS 管開通和關(guān)斷的電路模型對(duì)比

   

  我們畫出RC 電路的充放電曲線：

   

  

  圖4 RC 電路的充放電曲線

   

  從曲線中可以看到，充電時(shí)電壓開始上升很快，后面越來越慢；放電時(shí)也是開始很快，后面變慢。一般MOS 的 Vgs_th 約 2V 左右，Vgp 比 Vgs_th 高 1 - 2V 左右，例如 TI 的 NMOS，Vgs (th) = 1.3V，Vgp = 2.5V。而很多功率驅(qū)動(dòng)電路中，驅(qū)動(dòng)器輸出電壓常大于 10V，比 Vgs_th 和 Vgp 大很多。開通過程中對(duì)柵極充電，Vgs_th 和 Vgp 相對(duì)于充電初始電壓 0V 較近，處于充電曲線的前期階段，充電較快，耗時(shí)較短；關(guān)斷過程中對(duì)柵極放電，Vgs_th 和 Vgp 相對(duì)于放電初始電壓 Vg_drvie 較遠(yuǎn)，處于充電曲線的較后期階段，放電較慢，耗時(shí)較長(zhǎng)。因此，t2 < t7。

   

  t3 與 t6 階段的差異

   

  開通的t3 階段和關(guān)斷的 t6 階段也互為逆過程。t3 階段是開通過程中米勒平臺(tái)電壓 Vgp 持續(xù)的時(shí)間，t6 階段是關(guān)斷過程中米勒平臺(tái)電壓 Vgp 持續(xù)的時(shí)間。

   

  首先，米勒平臺(tái)充電或者放電對(duì)應(yīng)的電荷量都是一樣多的，都是米勒平臺(tái)電荷量Qgd。其次，在開通和關(guān)斷過程中，米勒平臺(tái)電壓持續(xù)時(shí)間內(nèi)，柵極電壓都維持米勒平臺(tái)電壓 Vgp 不變。充電時(shí)，充電電流為 Ig (充) =（Vg_drive - Vgp）/R；放電時(shí)，柵極電流為 Ig (放) = Vgp/R。由于 Vg_drive 很多時(shí)候大于 10V，Vgp 才 2 - 3V，所以 Ig (充) > Ig (放)。而充電和放電的電荷量都為 Qgd，因此充電時(shí)間 < 放電時(shí)間，即 t3 < t6。

   

  綜上所述，總的開通時(shí)間t2 + t3 < 總的關(guān)斷時(shí)間 t7 + t6。從之前舉的例子也能看出，在不加二極管的情況下，關(guān)斷時(shí)間比開通時(shí)間長(zhǎng)不少。

   

  

  圖5 開通和關(guān)斷時(shí)間對(duì)比

   

  由圖可知，t2 = 18ns，比 t7 = 88.6ns 小很多；t3 = 29.8ns，比 t6 = 104.5ns 也要小很多

  
  

  
  

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