MOS 管防護(hù)電路全解析：實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)揭示保護(hù)奧秘
出處：網(wǎng)絡(luò)整理 發(fā)布于：2025-06-26 16:09:11 | 490 次閱讀
功率 MOS 管在電子設(shè)備中應(yīng)用廣泛，它具備諸多優(yōu)點(diǎn)，比如導(dǎo)通電阻低、開(kāi)關(guān)速度快等。然而，其承受短時(shí)過(guò)載的能力較為脆弱，特別是在高頻應(yīng)用場(chǎng)景下，這種弱點(diǎn)更為明顯。為了提高功率 MOS 管的可靠性，在實(shí)際應(yīng)用中必須為其設(shè)計(jì)合理的保護(hù)電路。
1. 防止柵極 di/dt 過(guò)高
采用驅(qū)動(dòng)芯片直接驅(qū)動(dòng)功率管時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)芯片輸出阻抗較低，會(huì)使功率管快速開(kāi)通和關(guān)斷。這可能引發(fā)兩個(gè)問(wèn)題：一是造成功率管漏源極間的電壓震蕩；二是使功率管遭受過(guò)高的 di/dt 而導(dǎo)致誤導(dǎo)通。為避免這些問(wèn)題，通常會(huì)在 MOS 驅(qū)動(dòng)器的輸出與 MOS 管的柵極之間串聯(lián)一個(gè)電阻（R509），電阻值一般選取幾十歐姆。
這個(gè)電阻的作用是減緩 Rds 從無(wú)窮大到 Rds (on)（一般為 0.1 歐姆或者更低）的變化過(guò)程。如果不添加 R509 電阻，在高壓情況下，MOS 管開(kāi)關(guān)速率過(guò)快，可能會(huì)導(dǎo)致周?chē)?a target="_blank">元器件被擊穿。但如果 R509 電阻過(guò)大，MOS 管的開(kāi)關(guān)速率會(huì)變慢，Rds 從無(wú)窮大到 Rds（on）需要一段時(shí)間，在高壓下 Rds 會(huì)消耗大量功率，導(dǎo)致 MOS 管發(fā)熱異常。此外，該電阻上并聯(lián)的二極管（D507）在脈沖下降沿時(shí)對(duì)柵極放電，使場(chǎng)效應(yīng)管能快速截止，減少功耗。
2. 防止柵源極間過(guò)電壓
MOS 管的柵極與源極阻抗很高，漏極與源極間的電壓突變會(huì)通過(guò)極間電容耦合到柵極，產(chǎn)生相當(dāng)高的柵源尖峰電壓。同時(shí)，柵極容易積累電荷，這兩種情況都可能使很薄的柵源氧化層擊穿。為了保護(hù) MOS 管，通常會(huì)在其柵極并聯(lián)穩(wěn)壓管（圖中 D903），將柵極電壓限制在穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值以下。
此外，MOS 管柵極并聯(lián)電阻（圖中 R516）用于釋放柵極電荷，防止電荷積累。不過(guò)，實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)單獨(dú)焊接該下拉電阻（R516）不足以快速釋放 g 極電荷，會(huì)導(dǎo)致 MOS 管誤觸發(fā)?？煽康姆烹婋娐沸枰蕾?MOS 管 g 極 -> D507 -> 驅(qū)動(dòng)芯片地回路來(lái)實(shí)現(xiàn)。
3. 防護(hù)漏源極之間過(guò)電壓
雖然漏源擊穿電壓 VDS 一般較大，但如果漏源極不加保護(hù)電路，器件開(kāi)關(guān)瞬間電流的突變可能會(huì)產(chǎn)生漏極尖峰電壓，進(jìn)而損壞 MOS 管。功率管開(kāi)關(guān)速度越快，產(chǎn)生的過(guò)電壓越高。
為防止器件損壞，通常采用齊納二極管鉗位（圖中 D901）和 RC 緩沖電路（圖中 C916，R926）等保護(hù)措施。實(shí)測(cè)表明，加上穩(wěn)壓管（D901）的效果比加上 RC 電路更好，因此推薦先用穩(wěn)壓管進(jìn)行測(cè)試。需要注意的是，此處絕對(duì)不能加 TVS，因?yàn)榧?TVS 會(huì)導(dǎo)致源極電壓抬高，損壞 gs。
4. 電流采樣保護(hù)電路
當(dāng)電流過(guò)大或者發(fā)生短路時(shí)，功率 MOS 管漏極與源極之間的電流會(huì)迅速增加并超過(guò)額定值，必須在過(guò)流極限值所規(guī)定的時(shí)間內(nèi)關(guān)斷功率 MOS 管，否則器件將被燒壞。因此，在主回路增加電流采樣保護(hù)電路，將經(jīng)過(guò) MOS 管的電流通過(guò)采樣電阻采樣出來(lái)，然后將信號(hào)放大，將放大獲得的信號(hào)和 MCU 給出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)或門(mén)控制驅(qū)動(dòng)芯片的使能。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流過(guò)大時(shí)，禁止驅(qū)動(dòng)芯片輸出，從而保護(hù) MOS 管回路。
1. 防止柵極 di/dt 過(guò)高
采用驅(qū)動(dòng)芯片直接驅(qū)動(dòng)功率管時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)芯片輸出阻抗較低，會(huì)使功率管快速開(kāi)通和關(guān)斷。這可能引發(fā)兩個(gè)問(wèn)題：一是造成功率管漏源極間的電壓震蕩；二是使功率管遭受過(guò)高的 di/dt 而導(dǎo)致誤導(dǎo)通。為避免這些問(wèn)題，通常會(huì)在 MOS 驅(qū)動(dòng)器的輸出與 MOS 管的柵極之間串聯(lián)一個(gè)電阻（R509），電阻值一般選取幾十歐姆。
這個(gè)電阻的作用是減緩 Rds 從無(wú)窮大到 Rds (on)（一般為 0.1 歐姆或者更低）的變化過(guò)程。如果不添加 R509 電阻，在高壓情況下，MOS 管開(kāi)關(guān)速率過(guò)快，可能會(huì)導(dǎo)致周?chē)?a target="_blank">元器件被擊穿。但如果 R509 電阻過(guò)大，MOS 管的開(kāi)關(guān)速率會(huì)變慢，Rds 從無(wú)窮大到 Rds（on）需要一段時(shí)間，在高壓下 Rds 會(huì)消耗大量功率，導(dǎo)致 MOS 管發(fā)熱異常。此外，該電阻上并聯(lián)的二極管（D507）在脈沖下降沿時(shí)對(duì)柵極放電，使場(chǎng)效應(yīng)管能快速截止，減少功耗。
2. 防止柵源極間過(guò)電壓
MOS 管的柵極與源極阻抗很高，漏極與源極間的電壓突變會(huì)通過(guò)極間電容耦合到柵極，產(chǎn)生相當(dāng)高的柵源尖峰電壓。同時(shí)，柵極容易積累電荷，這兩種情況都可能使很薄的柵源氧化層擊穿。為了保護(hù) MOS 管，通常會(huì)在其柵極并聯(lián)穩(wěn)壓管（圖中 D903），將柵極電壓限制在穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值以下。
此外，MOS 管柵極并聯(lián)電阻（圖中 R516）用于釋放柵極電荷，防止電荷積累。不過(guò)，實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)單獨(dú)焊接該下拉電阻（R516）不足以快速釋放 g 極電荷，會(huì)導(dǎo)致 MOS 管誤觸發(fā)?？煽康姆烹婋娐沸枰蕾?MOS 管 g 極 -> D507 -> 驅(qū)動(dòng)芯片地回路來(lái)實(shí)現(xiàn)。
3. 防護(hù)漏源極之間過(guò)電壓
雖然漏源擊穿電壓 VDS 一般較大，但如果漏源極不加保護(hù)電路，器件開(kāi)關(guān)瞬間電流的突變可能會(huì)產(chǎn)生漏極尖峰電壓，進(jìn)而損壞 MOS 管。功率管開(kāi)關(guān)速度越快，產(chǎn)生的過(guò)電壓越高。
為防止器件損壞，通常采用齊納二極管鉗位（圖中 D901）和 RC 緩沖電路（圖中 C916，R926）等保護(hù)措施。實(shí)測(cè)表明，加上穩(wěn)壓管（D901）的效果比加上 RC 電路更好，因此推薦先用穩(wěn)壓管進(jìn)行測(cè)試。需要注意的是，此處絕對(duì)不能加 TVS，因?yàn)榧?TVS 會(huì)導(dǎo)致源極電壓抬高，損壞 gs。
4. 電流采樣保護(hù)電路
當(dāng)電流過(guò)大或者發(fā)生短路時(shí)，功率 MOS 管漏極與源極之間的電流會(huì)迅速增加并超過(guò)額定值，必須在過(guò)流極限值所規(guī)定的時(shí)間內(nèi)關(guān)斷功率 MOS 管，否則器件將被燒壞。因此，在主回路增加電流采樣保護(hù)電路，將經(jīng)過(guò) MOS 管的電流通過(guò)采樣電阻采樣出來(lái)，然后將信號(hào)放大，將放大獲得的信號(hào)和 MCU 給出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)或門(mén)控制驅(qū)動(dòng)芯片的使能。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流過(guò)大時(shí)，禁止驅(qū)動(dòng)芯片輸出，從而保護(hù) MOS 管回路。
綜上所述，合理設(shè)計(jì)和應(yīng)用這些防護(hù)電路對(duì)于保障 MOS 管的正常工作和延長(zhǎng)其使用壽命至關(guān)重要。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的電路要求和工作環(huán)境，綜合考慮各種因素，選擇合適的防護(hù)方案。
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