N溝道場效應管G極電壓是否可以大於D極電壓?

2020-12-14 技術閒聊

根據提問者的意思,N溝道場效應管柵極(G極)電壓是否可以大於漏極(D極)電壓?為什麼?先上答案:完全是可以的!場效應管完全導通時其G極電壓就比D極電壓高。

N溝道場效應管

場效應管有N溝道和P溝道兩種類型,共有3個極:柵極(G極)、漏極(D極)和源極(S極),其中G極屬於驅動端,G極與S極有相應的壓差,管子才導通。場效應管與三極體不同,屬於壓控元件(三極體屬於電流元件),柵極輸入阻抗很大(約10^7Ω~10^12Ω),電流很小几乎為零。下面技術閒聊以N溝道場效應管為例進行說明,下圖為N溝道場效應管的結構及符號。

場效應管也有三個工作區間:截止區(夾斷區)、可變電阻區和恆流區(飽和區)。

截止區:VGS<VGS(th),VGS(th)為管子的開啟電壓,此期間漏極-源極之間的阻抗很大,ID電流幾乎為零(一般μA級以下),相當於開路。

可變電阻區:VGS(th)<VGS<VGS(飽和),當VGS兩端的電壓達到管子的開啟電壓時,漏極開始有電流,此時漏極-源極的阻抗比較大,VGS持續增大,阻抗隨之減小,此區間ID與VGS呈線性關係。

恆流區(飽和區):當VGS繼續增大,漏極電流(ID)不再增大(趨於穩定)時,此區間屬於恆流區,也就是管子完全飽和狀態。管子飽和時,漏極-源極的阻抗(內阻)很小,都是mΩ數量級,比如50mΩ、8mΩ等,質量較好的大電流場效應管其飽和內阻可達1mΩ/2mΩ,甚至更小。

N溝道場效應管應用實例

如下圖為使用3.3V的I/O口控制N溝道場效應管的原理,由於場效應管的飽和控制電壓VGS一般6V~10V,因此不能直接使用3.3V電平的IO口直接控制場效應管。該原理通過NPN三極體驅動場效應管,因為三極體屬於電流驅動,一般電壓大於0.6V即可驅動三極體。該原理的具體過程為:當I/O口為高電平(3.3V)時,三極體Q1導通,將場效應管Q2的柵極電壓拉低(幾乎為0V),此時VGS≈0V,場效應管Q2截止,負載不工作;當IO口輸出低電平時,三極體Q1基極電壓為0,三極體截止,場效應管Q2柵極電壓由24V經10K和20K分壓得到8V電壓,即VGS=8V,場效應管Q2導通(飽和),負載工作。

上文實例是使用場效應管的截止/飽和區將場效應管當電子開關控制負載,在實際應用中,場效應管當開關的場合很多,但場效應管的作用不僅僅只是開關,場效應管的輸入阻抗很高,可作為多級放大電路的輸入級提高輸入阻抗,也可以作為恆流源、可變電阻使用。

熟悉場效應管的原理及應用之後,答案已經很明了了,N溝道的場效應管的恆流區(飽和區)柵極(G極)和源極(S極)之間施加電壓一般6V~10V(管子飽和驅動電壓),當管子達到飽和時其內阻很小,都是mΩ級別,小的可達幾mΩ。如上圖例子,假設該管子內阻為20mΩ,負載電流為5A,管子飽和時VDS=20mΩ×5A=0.1V,而驅動電壓VGS=8V,源極S接地,因此G極的電壓為8V而D極的電壓只有0.1V,可見G極的電壓明顯比D極高。

總結:在管子各極所能承受的電壓範圍內,柵極(G極)的電壓是可以高於漏極(D極)電壓的,場效應管之所以能夠廣泛應用,是因為其有很多優點,比如輸入阻抗高,穩定性好,輸出端對輸入端影響很小;驅動負載能力強,在中小電流場合壓降小;熱穩定性好,噪聲低,失真小。因此中小電流場合場效應管佔優勢,但在大電流場合電晶體、IGBT佔優勢。

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