简单的MOSFET开关电路-如何打开/关闭n沟道和p沟道MOSFET

简单的MOSFET开关电路-如何打开/关闭n沟道和p沟道MOSFET

MOSFET是一种利用场效应的晶体管。MOSFET代表金属氧化物半导体场效应晶体管，它有一个栅极。为了简单起见，你可以把这个门想象成一个水龙头你逆时针旋转水龙头水开始流出水龙头，你顺时针旋转它水停止流出水龙头。同样，栅极电压决定器件的导电性。根据这个栅极电压，我们可以改变电导率，因此我们可以把它用作开关或放大器，就像我们用晶体管作为开关或放大器一样。自20世纪80年代功率MOSFET问世以来，功率开关变得更快、更高效。几乎所有现代开关电源都使用某种形式的功率mosfet作为开关元件。

MOSFET的基本特性

与双极结晶体管或BJT一样，MOSFET是一个三端器件，三个端子分别是栅极、漏极和源极，栅极控制漏极和源极之间的导通。

从技术上讲，FET本质上是双向的，但是功率MOSFET在硅级上构建的方式在漏极和源极之间增加了一个寄生反并联二极管，这使得MOSFET在电压反转时导电，这是要记住的。大多数功率MOSFET的原理图符号绘制显示寄生二极管

MOSFET可以被认为是一个电压控制的可变电阻，就像BJT晶体管可以被认为是一个电流控制的电流源一样。然而，与BJT一样，该特性不是线性的，也就是说，电阻不会随着施加的栅极电压线性降低，如下图所示，来自流行的IRF3205的数据表，而我们正在谈论内阻，当涉及到内阻时，热量起着关键作用。

在大多数情况下，这并不重要，因为功率mosfet旨在用于开关应用，尽管线性使用是可能的。当使用MOSFET作为开关时，有几个重要的考虑因素。

漏源击穿电压和漏极电流：

这取决于应用功率mosfet的击穿额定值低至20V，高至1200V，电流范围从毫安到千安，整整六十年。

门阈值电压：

这类似于常规BJT的基极-发射极电压，但对于mosfet，该电压没有那么明显的定义。虽然MOSFET可能在相对较低的电压下导通，但它只能在指定的栅源电压下承载全电流。这是要小心的事情，因为大多数mosfet被指定为10V-GS。可提供逻辑级mosfet，其指定的满电流为4.5V。

输入电容:

由于栅极与从漏极到源极的导电路径是电隔离的，因此它形成了一个小电容器，每次MOSFET开关打开和关闭时都必须充电和放电。对于功率mosfet，该电容的范围可以从数百皮伏特到数十纳米伏特。

当栅极电压高于源电压几伏特时，n沟道mosfet导通，这些电压的额定值在数据表中提到，漏源电压以正伏特指定。电流流入漏极并流出源极。p沟道mosfet在栅极低于源极几伏特时导通，漏源极电压为负。电流流入源极，流出漏极。

简单的MOSFET开关电路

下图显示了N沟道和p沟道mosfet的最简单配置。

MOSFET栅极从电源电压迅速充电，打开它们。但是，如果在打开MOSFET后让栅极单独存在呢?一旦电源从栅极移除，MOSFET仍然保持打开!

就像一个普通的电容器一样，栅极保持其电荷，直到它被移除或通过非常小的栅极泄漏电流泄漏出去，为了摆脱这个电荷，栅极必须放电。这可以通过将栅极连接回源端来实现。但是如果栅极在驱动电路的作用下漂浮呢?如果杂散电荷在栅极中积累到足以使栅极电压超过阈值，那么MOSFET就会无意中打开，这可能会损坏下游的电路。出于这个原因，在栅极和源之间看到一个下拉/上拉电阻是很常见的，每当栅极电压被移除时，它就会从栅极移除电荷。无论驱动类型如何，在MOSFET的栅极之间包括一个上拉/下拉电阻是很好的做法。10K是个不错的值。

MOSFET栅极驱动与保护电路

MOSFET的栅极非常敏感，因为将栅极与沟道绝缘的氧化层非常薄。大多数功率mosfet的额定栅源电压仅为±20V!出于这个原因，一个齐纳二极管横跨栅极是一个很好的预防措施。

由于栅极电容与引线的电感相结合，在开关时可能导致振铃，这可以通过在栅极串联上添加一个小电阻(10Ω左右)来减轻。最终的MOSFET栅极电路如下图所示。

MOSFET的栅极通常不吸收任何电流(除了小的泄漏电流)，但当用于开关应用时，它应该快速打开和关闭，栅极电容必须快速充电和放电。这需要一些电流，在这些情况下，需要一个栅极驱动器，它可以采取分立电路，栅极驱动IC或栅极驱动变压器的形式。

我们构建了一个简单的MOSFET作为开关电路，以显示n沟道MOSFET(左侧)和p沟道MOSFET(右侧)如何切换。您还可以查看下面演示如何打开和关闭MOSFET的视频。

脚注

MOSFET是一个四端器件，第四个终端是衬底，这是实际的导电硅基，晶体管的其余部分是在上面制造的。该端子通常连接到电路中最负的轨道上(对于n通道器件，也就是说，对于p通道器件反之亦然)，这样它就不会干扰正常工作。对于功率mosfet，假设源是最负端的(因为n沟道mosfet大多用于低侧，将负载切换到地)，因此衬底引脚连接到源。这就产生了上述寄生二极管。如果衬底引脚“爆发”，将其连接到最负的轨道将确保寄生二极管在正常工作中永远不会正向偏置。

本文编译自circuitdigest