理解MOS管（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）的導(dǎo)通機(jī)制，是設(shè)計(jì)高效可靠電子電路的基礎(chǔ)。其導(dǎo)通并非簡單通電即開，而是由柵源電壓（VGS）是否超越特定門檻——閾值電壓（Vth），以及驅(qū)動(dòng)電路能否提供足夠能力共同決定。
一、 導(dǎo)通的核心鑰匙：閾值電壓 (Vth)
什么是閾值電壓？
閾值電壓是MOS管從截止?fàn)顟B(tài)切換到導(dǎo)通狀態(tài)所需的最小柵源電壓。只有當(dāng)施加在柵極（G）相對于源極（S）的電壓VGS > Vth時(shí)，MOS管內(nèi)部才會(huì)形成導(dǎo)電溝道。
影響閾值電壓的關(guān)鍵因素
- 制造工藝與材料：不同溝道類型（N溝道或P溝道）、介質(zhì)層厚度和摻雜濃度直接影響Vth值。N溝道MOS管通常具有正Vth，P溝道則為負(fù)值。(來源：IEEE標(biāo)準(zhǔn)定義)
- 溫度效應(yīng)：溫度升高通常會(huì)導(dǎo)致Vth絕對值下降，這是設(shè)計(jì)中需要考慮的溫度補(bǔ)償點(diǎn)。
- 體效應(yīng)：當(dāng)源極電位與襯底電位不相等時(shí)，Vth會(huì)發(fā)生變化，這在復(fù)雜電路中需留意。
二、 超越閾值：驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)鍵要求
僅滿足VGS > Vth只是導(dǎo)通的第一步。要讓MOS管高效、快速地工作在飽和區(qū)或線性區(qū)（歐姆區(qū)），驅(qū)動(dòng)電路必須滿足更高要求。
提供足夠的驅(qū)動(dòng)電壓
- 驅(qū)動(dòng)電路輸出的VGS必須遠(yuǎn)高于Vth，以確保MOS管完全導(dǎo)通，顯著降低導(dǎo)通電阻（RDS(on)）。
- RDS(on)直接影響導(dǎo)通損耗，更高的驅(qū)動(dòng)電壓能有效減小此電阻。(來源：主流功率MOSFET器件手冊)
提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流能力
- MOS管的柵極存在寄生電容（Ciss，主要是Cgs和Cgd的疊加）。
- 驅(qū)動(dòng)電路必須能快速地向這個(gè)電容充放電，以實(shí)現(xiàn)MOS管的快速開關(guān)。驅(qū)動(dòng)電流不足會(huì)導(dǎo)致開關(guān)速度變慢，損耗劇增甚至發(fā)熱損壞。
確保快速開關(guān)的關(guān)鍵點(diǎn)
- 開通速度：取決于驅(qū)動(dòng)電路對柵極電容的充電速度。
- 關(guān)斷速度：取決于驅(qū)動(dòng)電路對柵極電容的放電速度。
- 使用專用的柵極驅(qū)動(dòng)芯片或設(shè)計(jì)合理的推挽驅(qū)動(dòng)電路是常見解決方案，它們能提供強(qiáng)大的充放電能力。
三、 實(shí)際應(yīng)用中的注意事項(xiàng)
理解了導(dǎo)通條件，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中還需關(guān)注以下幾點(diǎn)：
避免誤導(dǎo)通
- 米勒效應(yīng)：在開關(guān)過程中，柵漏電容（Cgd）會(huì)通過米勒平臺(tái)效應(yīng)影響柵極電壓，可能導(dǎo)致瞬態(tài)誤導(dǎo)通。
- 解決方案：在柵極串聯(lián)適當(dāng)?shù)男‰娮瑁?strong>柵極電阻 Rg）有助于抑制電壓振蕩和減緩開關(guān)邊沿（但會(huì)略增損耗），或采用負(fù)壓關(guān)斷驅(qū)動(dòng)。
關(guān)注安全工作區(qū)
- 即使?jié)M足導(dǎo)通條件，也必須確保MOS管工作在安全工作區(qū)內(nèi)，避免因過壓、過流或過熱而損壞。
- 雪崩能量、最大結(jié)溫等參數(shù)都需在設(shè)計(jì)余量內(nèi)。
驅(qū)動(dòng)回路設(shè)計(jì)優(yōu)化
- 縮短驅(qū)動(dòng)回路物理長度，減小寄生電感。
- 使用低阻抗的驅(qū)動(dòng)電源和低ESR/ESL的旁路電容，確保驅(qū)動(dòng)電流路徑暢通。
總結(jié)
MOS管的可靠導(dǎo)通建立在兩個(gè)基石之上：一是柵源電壓必須超過器件特定的閾值電壓（Vth），這是形成導(dǎo)電溝道的物理前提；二是驅(qū)動(dòng)電路必須具備足夠的電壓輸出能力和電流驅(qū)動(dòng)能力，以克服柵極電容的影響，實(shí)現(xiàn)快速、高效的開關(guān)動(dòng)作。深入理解并滿足這些條件，結(jié)合對寄生參數(shù)、米勒效應(yīng)的管控以及對安全工作區(qū)的遵守，是充分發(fā)揮MOS管性能、設(shè)計(jì)穩(wěn)定高效電力電子系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。
