详解MOS管的米勒效应、开关损耗、导通损耗、续流损耗

要比喻的话，三极管像绿皮车，MOS管像高铁。

MOS管即场效应管（MOSFET），属于压控型，是一种应用非常广泛的功率型开关元件，在开关电源、逆变器、直流电机驱动器等设备中很常见，是电力电子的核心元件。

MOS管有N沟道和P沟道之分，N沟道相当于NPN的三极管；P沟道相当于PNP的三极管。实际设计及应用中，N沟道MOS管占绝大多数，所以下面以N沟道MOS管为例进行讲解（如图1中Q3，栅极-G；漏极-D；源极-S）。

MOS管的使用通常可以分为两种情形：

①参与普通的逻辑控制，和三极管一样作为开关管使用，电流可达数安培，如图1为MOS管驱动直流电机电路。R6下拉电阻是必须的（取值一般10--20k），原理和NPN三极管下拉电阻一样；原理参见文章《三极管的“非教科书式”解析，彻底告别放大状态的噩梦！》。

此类应用的MOS管Vgs电压大于门槛电压4.5V（又叫平台电压）即可正常使用。小功率的逻辑控制本人还是选择使用三极管。

图1：逻辑控制MOS管

②参与PWM控制，例如文章《为什么PWM驱动采用图腾柱而不是互补推挽？》；桥式驱动电路以及开关电源电路等应用广泛。

如图2为有刷直流电机桥式驱动电路，G1、G2、G3、G4为推挽PWM控制，VS1、VS2接电机，可实现大功率直流电机调速，正反转控制。此类应用的MOS管Vgs电压大于10V，通常使用12V（为保证导通深度，PWM的幅值为12V）。且G极的电阻必须是小电阻通常取4.7--100Ω，与电阻并联一个反向二极管，目的是保证MOS管的关断速度比导通速度快，防止上桥与下桥直通短路。

图2：有刷直流电机桥式驱动电路

彻底了解MOS管，我们应从以下两点入手：

①什么是米勒效应，米勒效应下为什么会有Vgs平台电压；

②MOS管的开关损耗、导通损耗、续流损耗。

如图3所示，G极与D极存在极间电容Cgd，G极与S极存在极间电容Cgs，当G极有高电平信号时，电容Cgs充电到门槛电压4.5V时，DS极开始导通，D极电平下降趋近于0V，此过程电容Cgd开始充电，使G极电压在短时间内保持在4.5V，这就是米勒效应。

图3：米勒效应测试原理图

该门槛电压Vgs就是MOS管的平台电压；该平台电压的在MOS管开通和关断期间都存在，其宽度与G极电阻有直接的关系。

如图4为G极电阻为10Ω时MOS管开通的波形，红色代表Vgs的电压波形，蓝色代表Vds的电压波形。平台电压的宽度很窄（黄色箭头），在平台电压下DS极间是变阻区，Vds很窄（绿色箭头）。

图4：G极电阻为10Ω，Vgs与Vds波形（开通）

如图5为G极电阻为100Ω时MOS管开通的波形，平台电压的宽度变宽明显（黄色箭头），在平台电压下DS极间是变阻区，Vds变缓（绿色箭头）。

图5：G极电阻为100Ω，Vgs与Vds波形（开通）

如图6为G极电阻为200Ω时MOS管开通的波形，平台电压的宽度变宽更明显（黄色箭头），在平台电压下DS极间是变阻区，Vds变缓更大（绿色箭头）。

图6：G极电阻为200Ω，Vgs与Vds波形（开通）

如图7为G极电阻为200Ω时MOS管关断的波形，同样有平台电压的存在。

图7：Vgs与Vds波形（关断）

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。如图8：

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）。

图8：MOS管的主要损耗

如图9，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。

图9：MOS管参数

所以，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；最后，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。

 

　　审核编辑：汤梓红