1. Typ und Aufbau der MOS-Röhre

MOSFET ist eine Art von FET (die andere ist JFET), die in den Anreicherungsmodus oder Verarmungsmodus, P-Kanal oder N-Kanal, insgesamt 4 Typen, hergestellt werden kann, aber nur der Anreicherungsmodus-N-Kanal-MOS wird tatsächlich verwendet. Röhre und verbesserte P-Kanal-MOS-Röhre, daher wird normalerweise NMOS erwähnt, oder PMOS bezieht sich auf diese beiden.

Warum man keine MOS-Röhren vom Depletion-Typ verwenden sollte, wird nicht empfohlen, der Sache auf den Grund zu gehen.

Für diese beiden erweiterten MOS-Röhren wird häufiger NMOS verwendet. Der Grund dafür ist, dass der Einschaltwiderstand klein und einfach herzustellen ist. Daher wird bei der Anwendung von Schaltnetzteilen und Motorantrieben im Allgemeinen NMOS verwendet. In der folgenden Einleitung wird hauptsächlich NMOS verwendet.

Zwischen den drei Pins der MOS-Röhre liegt eine parasitäre Kapazität vor, die wir nicht benötigen, sondern durch die Beschränkung des Herstellungsprozesses verursacht wird. Das Vorhandensein einer parasitären Kapazität erschwert den Entwurf oder die Auswahl der Treiberschaltung, es gibt jedoch keine Möglichkeit, dies zu vermeiden, was später ausführlich beschrieben wird.

Im Schaltplan der MOS-Röhre ist zu erkennen, dass sich zwischen Drain und Source eine parasitäre Diode befindet. Diese sogenannte Body-Diode ist besonders wichtig beim Betrieb einer induktiven Last (z. B. eines Motors). Die Body-Diode ist übrigens nur in einem einzelnen MOS-Transistor vorhanden und befindet sich normalerweise nicht im integrierten Schaltkreis.

2. Leitungseigenschaften der MOS-Röhre

Leitung bedeutet, als Schalter zu fungieren, was dem Schließen des Schalters entspricht.

Gemäß den Eigenschaften von NMOS wird es eingeschaltet, wenn Vgs größer als ein bestimmter Wert ist. Es eignet sich für Situationen, in denen die Quelle geerdet ist (Low-End-Ansteuerung), solange die Gate-Spannung 4 V oder 10 V erreicht.

Aufgrund der Eigenschaften von PMOS wird Vgs aktiviert, wenn es unter einem bestimmten Wert liegt. Dies ist für Situationen geeignet, in denen die Quelle an VCC (High-End-Laufwerk) angeschlossen ist. Obwohl PMOS problemlos als High-End-Laufwerk verwendet werden kann, wird NMOS aufgrund seines großen Einschaltwiderstands, seines hohen Preises und der wenigen Ersatztypen normalerweise in High-End-Laufwerken verwendet.

3. Verlust der MOS-Schaltröhre

Unabhängig davon, ob es sich um NMOS oder PMOS handelt, besteht nach dem Einschalten ein Einschaltwiderstand, sodass der Strom an diesem Widerstand Energie verbraucht. Dieser Teil der verbrauchten Energie wird als Leitungsverlust bezeichnet. Die Auswahl einer MOS-Röhre mit geringem Einschaltwiderstand reduziert den Leitungsverlust. Der Einschaltwiderstand der aktuellen MOS-Röhre mit geringem Stromverbrauch liegt im Allgemeinen bei einigen zehn Milliohm, manchmal auch bei mehreren Milliohm.

Wenn MOS ein- und ausgeschaltet wird, darf es nicht sofort abgeschlossen sein. Die Spannung an beiden Enden des MOS hat einen fallenden Prozess und der fließende Strom hat einen steigenden Prozess. Während dieser Zeit ist der Verlust der MOS-Röhre das Produkt aus Spannung und Strom, was als Schaltverlust bezeichnet wird. Normalerweise sind die Schaltverluste viel größer als die Leitungsverluste, und je schneller die Schaltfrequenz, desto größer sind die Verluste.

Das Produkt aus Spannung und Strom im Moment des Einschaltens ist sehr groß und der verursachte Verlust ist ebenfalls sehr groß. Eine Verkürzung der Schaltzeit kann den Verlust bei jedem Einschalten verringern; Durch die Reduzierung der Schaltfrequenz kann die Anzahl der Schaltvorgänge pro Zeiteinheit verringert werden. Beide Ansätze können Schaltverluste reduzieren.

4. MOS-Röhrentreiber

Im Vergleich zu Bipolartransistoren wird allgemein angenommen, dass zum Einschalten der MOS-Röhre kein Strom erforderlich ist. Solange die GS-Spannung höher als ein bestimmter Wert ist, reicht dies aus. Das ist einfach, aber wir brauchen auch Geschwindigkeit.

Aus der Struktur der MOS-Röhre ist ersichtlich, dass zwischen GS und GD eine parasitäre Kapazität besteht und der Antrieb der MOS-Röhre tatsächlich das Laden und Entladen des Kondensators ist. Das Laden des Kondensators erfordert einen Strom, da der Kondensator zum Zeitpunkt des Ladens des Kondensators als Kurzschluss betrachtet werden kann, sodass der Momentanstrom relativ groß ist. Das erste, worauf Sie bei der Auswahl/Entwurf eines MOS-Röhrentreibers achten sollten, ist die Menge des momentanen Kurzschlussstroms, der bereitgestellt werden kann.

Der zweite zu beachtende Punkt ist, dass der NMOS, der im Allgemeinen für die High-Side-Ansteuerung verwendet wird, eingeschaltet werden muss, wenn die Gate-Spannung größer als die Source-Spannung ist. Die Source-Spannung des hochseitig angesteuerten MOS-Transistors ist beim Einschalten dieselbe wie die Drain-Spannung (VCC), sodass die Gate-Spannung zu diesem Zeitpunkt 4 V oder 10 V größer als VCC ist. Wenn im selben System eine Spannung größer als VCC erreicht werden soll, ist eine spezielle Boost-Schaltung erforderlich. Viele Motortreiber integrieren eine Ladepumpe. Es ist zu beachten, dass ein geeigneter externer Kondensator ausgewählt werden sollte, um ausreichend Kurzschlussstrom zum Antrieb der MOS-Röhre zu erhalten.

Die oben genannten 4 V oder 10 V sind die Einschaltspannung der üblicherweise verwendeten MOS-Röhren, und natürlich muss beim Design ein gewisser Spielraum vorhanden sein. Und je höher die Spannung, desto schneller die Einschaltgeschwindigkeit und desto kleiner der Einschaltwiderstand. Mittlerweile gibt es auch MOS-Röhren mit kleineren Einschaltspannungen, die in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden, aber in 12-V-Automobilelektroniksystemen reicht im Allgemeinen eine 4-V-Leitung aus.

Informationen zur Treiberschaltung der MOS-Röhre und deren Verlust finden Sie in Microchips AN799MatchingMOSFETDriverstoMOSFETs. Es ist sehr detailliert, daher habe ich nicht vor, mehr zu schreiben.

5. MOS-Röhrenanwendungsschaltung

Das wichtigste Merkmal von MOS-Röhren sind ihre guten Schalteigenschaften, weshalb sie häufig in Schaltkreisen verwendet werden, die elektronische Schalter erfordern, wie z. B. Schaltnetzteile und Motorantriebe.

Analyse von 5 häufig verwendeten MOSFET-Treiberschaltungen für Schaltnetzteile

Bei der Entwicklung von Schaltnetzteilen mit MOSFETs berücksichtigen die meisten Anwender den Einschaltwiderstand, die Maximalspannung und den Maximalstrom des MOSFET. In vielen Fällen werden jedoch nur diese Faktoren berücksichtigt. Eine solche Schaltung funktioniert zwar normal, stellt aber keine gute Designlösung dar. Genauer gesagt sollte der MOSFET auch seine eigenen parasitären Parameter berücksichtigen. Bei einem bestimmten MOSFET beeinflussen seine Ansteuerschaltung, der vom Ansteuerpin abgegebene Spitzenstrom, die Anstiegsrate usw. das Schaltverhalten des MOSFET.

Bei der Auswahl des Leistungs-ICs und der MOS-Röhre ist es besonders wichtig, eine geeignete Treiberschaltung auszuwählen, um den Leistungs-IC und die MOS-Röhre zu verbinden.

Eine gute MOSFET-Treiberschaltung hat folgende Anforderungen:

(1) Beim Einschalten des Schalters sollte die Treiberschaltung in der Lage sein, einen ausreichend großen Ladestrom bereitzustellen, um die Spannung zwischen Gate und Source des MOSFET schnell auf den erforderlichen Wert zu erhöhen, um sicherzustellen, dass der Schalter schnell eingeschaltet werden kann und keine hochfrequente Schwingung der Anstiegsflanke auftritt.

(2) Die Treiberschaltung kann sicherstellen, dass die Spannung zwischen Gate und Source des MOSFET während der Einschaltphase stabil bleibt und zuverlässig eingeschaltet wird.

(3) Die Ansteuerschaltung kann im Moment des Abschaltens einen Pfad mit möglichst geringer Impedanz für die schnelle Entladung der Kondensatorspannung zwischen Gate und Source des MOSFET bereitstellen, um ein schnelles Abschalten der Schaltröhre zu gewährleisten.

(4) Der Aufbau der Ansteuerschaltung ist einfach und zuverlässig, und der Verlust ist gering.

(5) Wenden Sie je nach Situation eine Isolation an.

Treiben MOS-Röhren und IGBT-Treiberschaltungen Spannung oder Strom?

Sowohl MOS-Röhren als auch IDBTs sind spannungsgesteuerte Komponenten. Das heißt, die Gate-Spannung steuert den Drain- oder Kollektorstrom.