1. MOSチューブの種類と構造

MOSFETはFETの一種（もう一つはJFET）で、エンハンスメント型またはデプレッション型、PチャネルまたはNチャネル型、合計4種類ありますが、実際に使用されるのはエンハンスメント型のNチャネルMOSのみです。チューブ型とエンハンスメント型のPチャネルMOSはチューブ型なので、通常はNMOS、またはPMOSと表記されます。

なぜディプリーション型MOS管を使用しないのかというと、その真相を突き詰めるのはお勧めできません。

これら 2 つの強化された MOS チューブでは、NMOS がより一般的に使用されます。その理由は、オン抵抗が小さく、製造が容易であるためである。そのため、スイッチング電源やモーター駆動などの用途では、NMOSが一般的に使用されます。以下の紹介では主に NMOS を使用します。

MOS チューブの 3 つのピンの間には寄生容量が存在しますが、これは必要なものではなく、製造プロセスの制限によって引き起こされます。寄生容量の存在は駆動回路の設計や選択をより困難にしますが、これを避ける方法はありません。詳細は後述します。

MOSトランジスタの回路図を見ると、ドレインとソースの間に寄生ダイオードがあることがわかります。これはボディダイオードと呼ばれ、誘導性負荷（モーターなど）を駆動する際に非常に重要です。ちなみに、ボディダイオードはMOSトランジスタ1個にのみ存在し、通常、集積回路チップ内には存在しません。

2. MOSチューブの伝導特性

導通とはスイッチとして機能することを意味し、スイッチを閉じることと同じです。

NMOSの特性により、Vgsが一定値以上になるとONします。ゲート電圧が 4V または 10V に達する限り、ソースが接地されている状況 (ローエンド駆動) に適しています。

PMOS の特性として、Vgs が一定の値以下になるとオンになり、ソースが VCC に接続されている状況 (ハイエンドドライブ) に適しています。ただし、PMOSはハイエンドドライブとして容易に使用できますが、オン抵抗が大きく、価格が高く、交換種類が少ないため、NMOSは通常ハイエンドドライブで使用されます。

3. MOSスイッチ管損失

NMOSでもPMOSでも、オン後にはオン抵抗が発生し、電流はこの抵抗でエネルギーを消費します。この消費エネルギーの一部を導通損失と呼びます。オン抵抗の小さいMOSトランジスタを選択することで、導通損失を低減できます。現在の低電力MOSトランジスタのオン抵抗は、一般的に数十ミリオーム程度ですが、数ミリオームのものもあります。

MOSのON/OFFは一瞬で完了してはいけません。 MOSの両端の電圧には下降過程があり、流れる電流には上昇過程があります。このときのMOS管の損失は電圧と電流の積であり、これをスイッチング損失といいます。通常、スイッチング損失は導通損失よりもはるかに大きく、スイッチング周波数が速いほど損失も大きくなります。

ターンオン時の電圧と電流の積は非常に大きく、発生する損失も非常に大きくなります。スイッチング時間を短縮すると、各ターンオン時の損失を減らすことができます。スイッチング周波数を下げると、単位時間あたりのスイッチング回数を減らすことができます。どちらのアプローチでもスイッチング損失を低減できます。

4. MOS管ドライバー

バイポーラトランジスタと比較して、MOS管をオンさせるのに電流は必要なく、GS電圧が一定値以上あれば十分であると一般に考えられています。これは簡単ですが、スピードも必要です。

MOS 管の構造上、GS と GD の間には寄生容量が存在することがわかり、MOS 管の駆動は実際にはコンデンサの充放電になります。コンデンサの充電には電流が必要ですが、コンデンサを充電する瞬間はコンデンサがショートしているとみなせるため、瞬間的な電流は比較的大きくなります。 MOS真空管ドライバーを選定・設計する際にまず注意すべきことは、供給できる瞬時短絡電流の大きさです。

4つ目の注意点は、一般的にハイサイド駆動に使用されるNMOSは、ゲート電圧がソース電圧よりも高い場合にオンする必要があることです。ハイサイド駆動される MOS トランジスタのオン時のソース電圧はドレイン電圧 (VCC) と同じであるため、この時のゲート電圧は VCC より 10V または XNUMXV 高くなります。同一システム内で VCC より大きな電圧を得るには、特別な昇圧回路が必要です。多くのモータードライバーにはチャージポンプが組み込まれています。 MOS チューブを駆動するのに十分な短絡電流を得るには、適切な外付けコンデンサを選択する必要があることに注意してください。

上記の4Vや10Vは一般的に使用されるMOS管のターンオン電圧であり、当然ながらある程度のマージンを持った設計が必要です。また、電圧が高いほどターンオン速度が速くなり、オン抵抗が小さくなります。現在では、さまざまな分野で使用される、より小さなターンオン電圧を備えた MOS チューブもありますが、12V の車載電子システムでは、一般に 4V の導通で十分です。

MOS管の駆動回路とその損失については、Microchip社のAN799「MatchingMOSFETDriverstoMOSFETs」を参照してください。非常に詳細なので、これ以上は書きません。

5. MOS管応用回路

MOS管はスイッチング特性が良いことが最大の特徴であり、スイッチング電源やモータードライブなど電子スイッチを必要とする回路に広く使用されています。

一般的に使用される5つのスイッチング電源MOSFET駆動回路の解析

MOSFETを用いてスイッチング電源を設計する場合、多くの人はMOSFETのオン抵抗、最大電圧、最大電流を考慮します。しかし、多くの場合、これらの要素のみが考慮されています。このような回路は正常に動作するかもしれませんが、良い設計ソリューションとは言えません。より具体的には、MOSFETは自身の寄生パラメータも考慮する必要があります。特定のMOSFETの場合、その駆動回路、駆動ピンから出力されるピーク電流、立ち上がり速度などがMOSFETのスイッチング性能に影響を与えます。

パワーICとMOS管を選定する際には、パワーICとMOS管を接続する適切な駆動回路の選定が特に重要です。

優れた MOSFET ドライバ回路には次の要件があります。

（１）スイッチがオンになると、駆動回路は、MOSFETのゲートとソース間の電圧を必要な値まで急速に上昇させるのに十分な大きさの充電電流を供給でき、スイッチが素早くオンになり、立ち上がりエッジの高周波振動がないことを確認することができる必要がある。

（２）駆動回路は、MOSFETのゲートとソース間の電圧がスイッチオン期間中に安定し、確実にオンになることを保証できる。

（３）ターンオフ時の駆動回路は、MOSFETのゲートとソース間のコンデンサ電圧を急速に放電するためのインピーダンスが可能な限り低い経路を提供することができ、スイッチチューブを迅速にオフにすることができる。

（4）駆動回路の構造がシンプルで信頼性が高く、損失が少ない。

(5) 状況に応じて隔離を行ってください。

MOS チューブと IGBT 駆動回路は電圧を駆動しますか、それとも電流を駆動しますか?

MOS チューブと IDBT は両方とも電圧駆動コンポーネントです。つまり、ゲート電圧はドレインまたはコレクタ電流を制御します。