MOS晶体管的米勒效应、开关损耗和参数匹配

MOS晶体管，即场效应晶体管(MOSFET)，属于压控型，是一种应用广泛的功率开关元件。它在开关电源、逆变器、DC电机驱动器等设备中非常常见，是电力电子的核心元件。

MOS晶体管分为N沟道和P沟道，N沟道相当于NPN晶体管；p沟道相当于PNP晶体管。在实际设计和应用中，N沟道MOS管占了绝大多数，所以下面的描述将以N沟道MOS管为例(如图1 Q3，gate-G；drain-D；来源)

MOS管的使用通常可以分为以下两种情况：

参与普通逻辑控制。

像三极管，用作开关管，电流可以达到几安培。下图是MOS管驱动DC电机的电路。需要R6下拉电阻(一般10 - 20k)，原理与NPN晶体管下拉电阻相同；原理见《放下教科书，来看下三极管的应用电路》条。

这类应用中MOS晶体管的Vgs电压高于4.5V的阈值电压(也称平台电压)，可以正常使用。低功耗逻辑控制我还是选择用三极管。

参与PWM控制

比如文章《浅析PWM控制电机转速的原理》，桥式驱动电路和开关电源电路应用广泛。

下图为有刷DC电机的桥式驱动电路，G1、G2、G3、G4为推挽式PWM控制，VS1、VS2接在电机上，可以实现大功率DC电机的调速和正反转控制。这类应用中MOS晶体管的Vgs电压在10V以上，通常使用12V(为保证导通深度，PWM的幅度为12V)。并且G极的电阻一定要小，一般为4.7-100，并在电阻上并联一个反向二极管，以保证MOS管的关断速度快于导通速度，防止上下桥直接短路。

彻底了解MOS管，从以下两点开始：

什么是米勒效应，为什么米勒效应下会有Vgs平台电压？

MOS管的开关损耗、导通损耗和续流损耗

如下图所示，G极和D极之间有极间电容Cgd，G极和S极之间有极间电容Cgs。当G极有高电平信号时，当电容Cgs充电到4.5V的阈值电压时，DS极开始导通，D极的电平下降到0 V，在这个过程中，电容Cgd开始充电，短时间内保持G极电压在4.5V，这就是米勒效应。

阈值电压Vgs是MOS晶体管的平台电压；平台电压存在于MOS晶体管的导通和关断期间，其宽度与G极电阻直接相关。

下图显示了G极电阻为10时MOS晶体管的开路波形。红色代表Vgs的电压波形，蓝色代表Vds的电压波形。平台电压的宽度非常窄(黄色箭头)。在平台电压下，DS极之间有一个可变电阻区，Vds很窄(绿色箭头)。

下图是G极电阻为100时MOS晶体管的开路波形。平台电压的宽度明显变宽(黄色箭头)。平台电压下，DS极间有一个可变电阻区，Vds变慢(绿色箭头)。

下图显示了G极电阻为200时MOS晶体管的开路波形。平台电压的宽度变得更明显(黄色箭头)。平台电压下，DS极间有一个可变电阻区，Vds变慢更多(绿色箭头)。

下图显示了G极电阻为200 且平台电压也存在时的波形。

MOS管的损耗意味着发热，要使MOS管正常工作，必须了解各种损耗，如下图。

开关损耗分为MOS管的开通损耗和关断损耗，G极电阻的大小决定了开通和关断的速度，该电阻越大开关损耗越大;

导通损耗取决于DS极间导通后的等效电阻Rds(on)，该电阻越大导通损耗越大;

续流损耗指的是S极到D极间的正向二极管的损耗，该损耗通常不考虑(本文略)。

如下图，对MOS管的选型，主要参数都会在前面直接给出(红框内)，DS极耐压(Vdss)通常选择工作电压的1.5--2倍;漏极电流(Id)通常选择工作电流的5--10倍;Rds(on)尽量越小越好。另外G极的Vgs电压范围是±20V以内，几乎所有的MOS管都如此。

小结

MOS管的开关损耗跟设计有直接的关系，缩短导通和关断时间可有效降低开关损耗。

驱动MOS管的推挽电路很多都已集成在驱动芯片内部，输出能力很强，通常电流可达1A。