MOSFET完全解析：从种类特性到驱动应用
MOSFET完全解析：从种类特性到驱动应用
MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）在电子电路领域扮演着至关重要的角色，特别是在开关电源、镇流器、高频感应加热、高频逆变焊机以及通信电源等高频电源领域。本文将从MOSFET的种类结构、导通特性、驱动方式以及应用电路等多个方面进行详细解析，帮助读者全面了解这一重要电子元件。
MOSFET管作为FET（场效应晶体管）的一种（另一种是JFET），可以被制造成增强型或耗尽型，P沟道或N沟道共4种类型。但在实际应用中，最常见的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管，也就是我们常说的NMOS和PMOS。之所以不常用耗尽型的MOS管，原因较为复杂，这里暂不深入探讨。在这两种增强型MOS管中，NMOS由于导通电阻小且容易制造，成为了开关电源和马达驱动应用中的宠儿。而且，在MOS管原理图上，我们能看到漏极和源极之间有一个寄生二极管，即体二极管，它在驱动感性负载（如马达）时发挥着重要作用，不过要注意的是，体二极管只存在于单个的MOS管中，集成电路芯片内部通常是没有的。此外，MOS管的三个管脚之间还存在寄生电容，这是由于制造工艺限制产生的，虽然不是我们期望的，但在设计或选择驱动电路时必须要考虑到。
了解了MOS管的结构，我们再来看看它的导通特性。所谓导通，就是作为开关时相当于开关闭合的状态。NMOS的特性是当Vgs大于一定的值时就会导通，比较适合用于源极接地时的情况，也就是低端驱动，一般栅极电压达到4V或10V就能够实现导通。而PMOS则是Vgs小于一定的值时导通，适用于源极接VCC时的高端驱动场景。不过，尽管PMOS在高端驱动中有其便利性，但由于导通电阻大、价格贵以及替换种类少等因素，在高端驱动中，大家通常还是会选择NMOS。以瑞萨2SK3418为例，从其Vgs电压和Vds电压的关系图中可以看出，在小电流情况下，当Vgs达到4V时，DS间压降已经很小，可以认为此时MOS管已经导通。
在使用MOS管的过程中，损失问题也是不容忽视的。不管是NMOS还是PMOS，导通后都存在导通电阻，当DS间有电流流过时，两端就会产生电压，从而导致电流在这个电阻上消耗能量，这部分能量消耗就是导通损耗。为了减小导通损耗，我们可以选择导通电阻小的MOS管，现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右，甚至还有几毫欧的产品。除了导通损耗，MOS管在导通和截止的过程中还存在开关损失。因为MOS管在导通和截止时并非瞬间完成，其两端的电压有一个下降过程，流过的电流有一个上升过程，在这段时间内，电压和电流的乘积就是开关损失。通常情况下，开关损失比导通损失要大得多，而且开关频率越快，损失也越大。通过降低开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率，则可以减少单位时间内的开关次数，这两种方法都有助于减小开关损失。
接下来谈谈MOS管的驱动。与双极性晶体管相比，一般认为使MOS管导通不需要电流，只要GS电压高于一定的值即可。但在实际应用中，我们不仅要让它导通，还需要考虑速度。由于在MOS管的GS、GD之间存在寄生电容，MOS管的驱动实际上就是对电容的充放电过程。对电容充电时，瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。因此，在选择或设计MOS管驱动时，首先要关注的是驱动电路可提供瞬间短路电流的大小。对于普遍用于高端驱动的NMOS，导通时需要栅极电压大于源极电压，而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压（VCC）相同，所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。如果在同一个系统里要得到比VCC大的电压，就需要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵，此时要注意选择合适的外接电容，以获得足够的短路电流去驱动MOS管。另外，4V或10V是常用的MOS管导通电压，设计时需要有一定的余量，而且电压越高，导通速度越快，导通电阻也越小。现在也有导通电压更小的MOS管应用在不同领域，但在12V汽车电子系统里，一般4V导通就能够满足需求了。
MOS管最显著的特性就是开关特性好，这使得它被广泛应用在需要电子开关的电路中。常见的应用包括开关电源、马达驱动以及照明调光等。在这些应用领域，MOS管都发挥着关键作用，为电路的正常运行和性能提升做出了重要贡献。
MOSFET作为电子电路中的重要元件，有着丰富的知识和应用技巧需要我们去掌握。从它的结构特性到导通、损失、驱动以及应用电路，每一个环节都相互关联，影响着整个电路的性能。随着电子技术的不断发展，MOSFET的应用也会越来越广泛和深入。希望通过本文的介绍，能够帮助大家对MOSFET有更全面、更深入的理解，在今后的电子设计和应用中能够更好地发挥它的作用。