通过输出MOSFET的寄生二极管进行电流再生时的功耗

本文转载自：罗姆半导体集团

本文将谈一谈使用有刷直流电机驱动器IC进行PWM驱动时，通过输出MOSFET的寄生二极管进行电流再生时的功耗。之所以讨论这个话题，是因为再生时的实际功耗可能会大于估算值，在某些情况下可能会引发问题，所以需要注意。

通过MOSFET的寄生二极管进行电流再生时，功耗是否会大于计算值？

当通过输出MOSFET的寄生二极管进行电流再生时，其功耗应该是寄生二极管的正向电压×电机电流。然而实际上，有时功耗可能会大于这个计算值。

其原因是当电流流过输出MOSFET的寄生二极管从而产生正向电压时，MOSFET结构上固有的寄生晶体管会工作，电流从电源流向GND。这个电流小到不足流过二极管的电流的几十分之一，但功耗是“电源电压×电源－GND间电流”，是电源电压较高时不可忽视的值。

下面将从驱动器输出MOSFET的状态、电流的流动以及输出MOSFET的结构角度来解释说明这种现象。

首先来看电流再生时输出MOSFET的状态和再生电流的流动情况。下面是H桥电路，但其中省略了与工作无关的MOSFET。（a）是给电机供给电流时的电路，（b）和（c）都是电流再生时的电路，但由于有两种电路状态，所以将（b）命名为“电流再生时1”、将（c）命名为“电流再生时2”。

（b）电流再生时1是在供给电流时将导通的Q1关闭、而Q4保持导通。在这种状态下，电流通过关断状态的Q2的寄生二极管和导通状态的Q4再生。

（c）电流再生时2是在供给电流时将导通的Q1和Q4关断，所有MOSFET处于关断状态。在这种情况下，电流通过Q2和Q4的寄生二极管再生。

接下来，为了说明导致流过附加电流的寄生晶体管，给出了电机驱动器IC的输出MOSFET的结构示意图（截面图）。在上面的电路图中，高边使用了Pch MOSFET，低边使用了Nch MOSFET，所以下图中也分别列出了它们的结构。

在输出Nch MOSFET中，由漏极D的N型扩散层、元件分离用的P型扩散层和连接到电源的N型扩散层（在这里是连接到输出Pch MOSFET的源极S），可以形成寄生NPN晶体管Qa。

当再生电流流过这个Nch MOSFET的源极和漏极之间的寄生二极管Di_a时，由于元件分离P型扩散层是与GND相连接的，因此寄生NPN晶体管Qa的基极和发射极之间的二极管也会产生正向电压。为此，寄生NPN晶体管Qa导通，流过集电极电流并从电源Ea汲取电流。

对于输出Pch MOSFET来说，原理也相同。可以由漏极D的P型扩散层、与源极S共用的背栅N型扩散层、元件分离等的P型扩散层来形成寄生PNP晶体管Qb。

当再生电流流过该Pch MOSFET的源极和漏极之间的寄生二极管Di_b时，寄生PNP晶体管Qb导通，流过集电极电流，且电流流向GND。

当再生电流流过输出MOSFET的寄生二极管时，电流通过寄生晶体管在电源和GND之间流动。一般来讲，流过的电流比再生电流小两个数量级左右，但会因IC所使用的工艺和MOSFET的布局而有很大差异。因此，当通过输出MOSFET的寄生二极管使用电流再生时，需要确认通过这些寄生晶体管流过的电流大小。

例如，在“（c）电流再生时2”中，假设电源电压Ea=24V，再生电流Io=1.0A，Nch MOSFET寄生二极管的正向电压VF_N=0.8V，Pch MOSFET的寄生二极管正向电压VF_P=0.95V，Nch MOSFET的寄生晶体管和Pch MOSFET的寄生晶体管的电源和GND之间流动的电流与再生电流之比都为k1=1/100，则功耗Pc如下：

Pc＝Io×（VF_N＋VF_P＋2×k1×Ea）
＝1×（0.8＋0.95＋2×1/100×24）

＝1.75＋0.48＝2.23W

在这个示例中，流经寄生晶体管的电流对功耗的影响是绝对不能忽视的。在电源电压Ea高时需要注意。

审核编辑：汤梓红