電機PWM驅動--MOSFET寄生二極管功耗-KIA MOS管

本文分析一下使用有刷直流電機驅動器IC進行PWM驅動時，通過輸出MOSFET的寄生二極管進行電流再生時的功耗。

通過MOSFET的寄生二極管進行電流再生時，功耗是否會大于計算值？

當通過輸出MOSFET的寄生二極管進行電流再生時，其功耗應該是寄生二極管的正向電壓×電機電流。然而實際上，有時功耗可能會大于這個計算值。

其原因是當電流流過輸出MOSFET的寄生二極管從而產生正向電壓時，MOSFET結構上固有的寄生晶體管會工作，電流從 電源 流向GND。這個電流小到不足流過二極管的電流的幾十分之一，但功耗是“電源電壓×電源－GND間電流”，是電源電壓較高時不可忽視的值。

下面將從驅動器輸出MOSFET的狀態、電流的流動以及輸出MOSFET的結構角度來解釋說明這種現象。

首先來看電流再生時輸出MOSFET的狀態和再生電流的流動情況。下面是H橋電路，但其中省略了與工作無關的MOSFET。

（a）是給電機供給電流時的電路，（b）和（c）都是電流再生時的電路，但由于有兩種電路狀態，所以將（b）命名為“電流再生時1”、將（c）命名為“電流再生時2”。

（b）電流再生時1是在供給電流時將導通的Q1關閉、而Q4保持導通。在這種狀態下，電流通過關斷狀態的Q2的寄生二極管和導通狀態的Q4再生。

（c）電流再生時2是在供給電流時將導通的Q1和Q4關斷，所有MOSFET處于關斷狀態。在這種情況下，電流通過Q2和Q4的寄生二極管再生。

接下來，為了說明導致流過附加電流的寄生晶體管，給出了電機驅動器IC的輸出MOSFET的結構示意圖（截面圖）。在上面的電路圖中，高邊使用了Pch MOSFET，低邊使用了Nch MOSFET，所以下圖中也分別列出了它們的結構。

在輸出Nch MOSFET中，由漏極D的N型擴散層、元件分離用的P型擴散層和連接到電源的N型擴散層（在這里是連接到輸出Pch MOSFET的源極S），可以形成寄生NPN晶體管Qa。

當再生電流流過這個Nch MOSFET的源極和漏極之間的寄生二極管Di_a時，由于元件分離P型擴散層是與GND相連接的，因此寄生NPN晶體管Qa的基極和發射極之間的二極管也會產生正向電壓。為此，寄生NPN晶體管Qa導通，流過集電極電流并從電源Ea汲取電流。

對于輸出Pch MOSFET來說，原理也相同。可以由漏極D的P型擴散層、與源極S共用的背柵N型擴散層、元件分離等的P型擴散層來形成寄生PNP晶體管Qb。

當再生電流流過該Pch MOSFET的源極和漏極之間的寄生二極管Di_b時，寄生PNP晶體管Qb導通，流過集電極電流，且電流流向GND。

當再生電流流過輸出MOSFET的寄生二極管時，電流通過寄生晶體管在電源和GND之間流動。一般來講，流過的電流比再生電流小兩個數量級左右，但會因IC所使用的工藝和MOSFET的布局而有很大差異。

因此，當通過輸出MOSFET的寄生二極管使用電流再生時，需要確認通過這些寄生晶體管流過的電流大小。

例如，在“（c）電流再生時2”中，假設電源電壓Ea=24V，再生電流Io=1.0A，Nch MOSFET寄生二極管的正向電壓VF_N=0.8V，Pch MOSFET的寄生二極管正向電壓VF_P=0.95V，Nch MOSFET的寄生晶體管和Pch MOSFET的寄生晶體管的電源和GND之間流動的電流與再生電流之比都為k1=1/100，則功耗Pc如下：

Pc＝Io×（VF_N＋VF_P＋2×k1×Ea）

＝1×（0.8＋0.95＋2×1/100×24）

＝1.75＋0.48＝2.23W

在這個示例中，流經寄生晶體管的電流對功耗的影響是絕對不能忽視的。在電源電壓Ea高時需要注意。

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