MOS管开关电路应用及MOS管原理、选型

2023-05-16

目录

  • 硬件基础-MOS管原理、使用、开关电路应用
    • 0、写在前面:
    • 1、MOS管基本原理及分类
      • 1.1、MOS管分类
      • 1.2、MOS管导通原理
      • 1.3、MOS管输出特性曲线
      • 1.4、MOS管的转移特性
      • 1.5、MOS管的寄生二极管:
    • 2、NMOS管简单开关电路:
    • 3、PMOS管简单开关电路:
    • 4、给MOS管开关电路加软启动
    • 5、常用MOS管的型号推荐
      • 5.1、电机驱动MOS管:功率100W
        • 5.1.1:NMOS
        • 5.1.2:PMOS:
        • 5.1.3、NCE公司:
      • 5.2、小功率MOS管:2W

硬件基础-MOS管原理、使用、开关电路应用

0、写在前面:

最后更新日期:2021年4月30日
因水平有限,本文章主要作为个人技术笔记使用,方便自己查阅,可能会有纰漏。仅供参考,仅供参考,仅供参考
这里主要讲述MOS管的一些基础知识及相关应用,还会记录一些常用的MOS开关电路。部分素材来源于网上,主要参考的链接如下:
http://www.kiaic.com/article/detail/1378.html
https://wenku.baidu.com/view/719bf797c3c708a1284ac850ad02de80d5d8066f.html
http://www.kiaic.com/article/detail/1444
https://wenku.baidu.com/view/4e9f9f9cde80d4d8d05a4f68.html

1、MOS管基本原理及分类

1.1、MOS管分类

MOS管是金属(metal)、氧化物(oxide)、半导体(semiconductor)场效应晶体管。FET是场效应管。合在一起是金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)。
MOS管分为N沟道和P沟道,又可分为增强型和耗尽型。其分类如下图:
在这里插入图片描述
其示意图和电路符号如下:
N和PMOS
上图是NMOS和PMOS的符号,衬底一般和源极连接起来,连接起来后电路符号如下:
P沟道MOSFET
N沟道MOSFET
上图中2个都是虚线,虚线代表是增强型(Vgs=0时,DS无导电沟道),实线是耗尽型(Vgs=0时,DS有导电沟道)。电极 D(Drain) 称为漏极,电极 G(Gate) 称为栅极,电极 S(Source)称为源极。电路符号中的箭头可以理解为一个二极管。例如NMOS,沟道是N,衬底是P型,所以衬底到沟道形成一个二极管,二极管方向就是这个箭头方向。实际上这个箭头的确就是衬底的极性的含义,当它一旦接到源极,就形成了MOS管的寄生二极管了。
在实际应用中,一般都是增强型MOS管居多,因此这里不介绍耗尽型MOS管。
下面是NMOS和PMOS的结构示意图:
NMOS
PMOS

1.2、MOS管导通原理

对于MOS管导通的原理,以NMOS管为例,介绍如下:
在这里插入图片描述

1.3、MOS管输出特性曲线

当Vgs大于开启电压时,漏极电流id和漏源电压Vds之间的关系为输出特性曲线。可分为线性区OA,过渡区AB,线性区和过渡区统称为非饱和区。饱和区BC和击穿区CD。
在这里插入图片描述
对于不同的Vgs,可以得到以下输出特性曲线:
在这里插入图片描述

1.4、MOS管的转移特性

当Vds一定时,Vgs可以控制电流Id,叫做转移特性。
在这里插入图片描述

4种类型的MOS管的特性曲线和转移特性曲线如下:
在这里插入图片描述

1.5、MOS管的寄生二极管:

关于MOS管的寄生二极管:
1、mos管本身自带有寄生二极管,作用是防止VDD过压的情况下,烧坏mos管,因为在过压对MOS管造成破坏之前,二极管先反向击穿,将大电流直接到地,从而避免MOS管被烧坏。
2、防止管子的源极和漏极反接时烧坏MOS管,也可以在电路有反向感生电压时,为反向感生电压提供通路,避免反向感生电压击穿MOS管。
对于寄生二极管的方向判断,方法如下:
在这里插入图片描述
因此,从最开始简单的电路符号,我们把衬底和源极连接起来,再加上寄生二极管的符号,就得到了接近实际应用中的MOS管符号。实际使用的MOS管,一般都是带寄生二极管的,比如我们在立创商城随便搜索一个MOS管,比如直流电机驱动桥上常用的NCE6075,手册上截图如下:
在这里插入图片描述
到这里,我们就能看懂手册上MOS管的符号了。下面开始介绍下MOS关常用的2种简单的开关电路。

2、NMOS管简单开关电路:

下图是在proteus上进行仿真的NMOS开关电路:
在这里插入图片描述
因NMOS导通的条件是Vgs电压大于MOS管的开启电压,因此我们直接把NMOS管的S极直接接地,保证S极电压为0V,这样只需要G极电压高于开启电压,MOS管即会导通。
电阻R2的作用是保证在未接负载时MOS管D极的电压,因为当MOS管导通时,要保证V DS > 0V才可以在漏源极间形成电流。
而如果把电阻R2去掉,当外负载压降较大时,电源电压经外负载到达MOS管的D极后,D极电压可能就会接近0V,和S极电压相差不多,就无法保证形成漏源电流Ids > 0。
分析此电路图特性我们发现,此时外负载的正极是直接连接电源正极,外负载的负极处经MOS管作为开关再接回了GND。那能不能电源的正极接到NMOS管的D极上,把MOS管的S极作为输出接到外负载的正极,当MOS管导通时,S极电压等于D极电压等于电源电压,这样貌似也是可行的。但实际是不可行的,理由如下:

如上图,我们按照我们的设想搭了一个电路,NMOS的S极接外负载,D极接电源正极。当G极电压为正时,MOS管导通,理论上MOS管的D极和S极电压应该相近,但我们发现此时并非如下。当MOS管导通时,D极电压为5V,S极电压却为0.9V,这是为什么呢?
这是因为我们把NMOS管的S极作为外负载的正极输出接在了外负载1K电阻上。而外负载肯定是需要压降的,则实际MOS管的S极电压必须高于0V才可以带动外负载。但如果S极电压高于0V,又会导致压差 V gs小于MOS管的开启电压,造成MOS管断开,因此MOS管不能正常工作在一直开启的状态。
综上,我们得知NMOS管用作开关电路时,必须D极接外负载,S极不要接负载直接接GND,这样才能保证Vgs 大于MOS管的开启电压。并且D极只能接外负载的负极,外负载的正极直接接电源。
因此,也就有了我们常说的:低端驱动(外负载的正极直接接电源正极,负极接MOS管回GND)用NMOS,高端驱动(外负载的正极接MOS管的D极,负极直接接回GND)用PMOS

3、PMOS管简单开关电路:

类似于NMOS开关电路,我们在proteus仿真如下:
在这里插入图片描述
此时,外负载的GND直接接GND,而外负载的正极接PMOS的D极,相当于在外负载的正极上加了个开关。为了验证我们之前的总结,我们看能不能用PMOS当做外负载负极端的开关。
我们建仿真电路如下:
在这里插入图片描述
因为PMOS的S极接了外负载的负极,此时无法保证S极电压为电源电压,而是接近了外负载的负极电压0V,因此V gs也就不能保证是PMOS处于导通状态了。

4、给MOS管开关电路加软启动

在这里插入图片描述

如上图所示,在MOS管的GS之间加上电容和电阻,可以上电缓启动,防止上电时的浪涌冲击。具体详细介绍如下:
http://m.elecfans.com/article/1194017.html

5、常用MOS管的型号推荐

因为常用的一般都是增强型MOS管,因此只需要找到增强型NMOS和增强型PMOS两种即可。

5.1、电机驱动MOS管:功率100W

5.1.1:NMOS

MOS管功率一般比较大,对于嵌入式控制的外设,一般是12V电机或者24V电机,对于驱动电机的MOS管,推荐使用NCE6075K,是N沟道增强型MOS管,峰值电流75A,扇热功率可以达到110W。
参数如下:
在这里插入图片描述
NCE6075K的电路符号如下:
在这里插入图片描述

5.1.2:PMOS:

NCE60P50K,是一个P沟道增强型MOS管,电流可达50A,参数和电路符号如下:
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

5.1.3、NCE公司:

NCE是无锡新洁能公司,专业从事半导体功率器件的研发与销售。因为是国内公司,因此其产品价格较友好、稳定,并且其生产的MOS管型号齐全,功率大。如果需要其他的mos管,可以直接到NCE公司官网上去选型。
其官网地址如下: http://www.ncepower.com/

5.2、小功率MOS管:2W

对于比较小的功率的MOS管,可以选用IRF7106TRPBF。其内部有一个NMOS和一个PMOS,对于小功率使用比较方便,不需要再单独选NMOS和PMOS了。
电路符号如下:
在这里插入图片描述

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