Robotics - Mosfet

2026-08-30 · 随笔 · 371798712f24

MOSFET 是一种用电压控制电流的半导体器件。最常见用途就是电子开关。

全称是：

Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor

金属—氧化物—半导体场效应晶体管

在机器人里，它负责让 MCU 用很小的控制信号，开关电机、电磁铁、加热器等大电流负载。

为什么需要 MOSFET

MCU 的 GPIO 通常只能输出：

3.3V

几毫安到十几毫安

电机可能需要：

12V

数安培甚至数十安培

MCU 不能直接给电机供电，所以需要 MOSFET：

MCU 小信号
    │
    ▼
 MOSFET
    │
    ▼
控制电源向电机提供大电流

可以把它理解为一个没有机械触点、速度很快的电子开关。

MOSFET 的三个主要引脚

以常见的 N 沟道 MOSFET 为例：

G：Gate，栅极
D：Drain，漏极
S：Source，源极

结构关系：

MCU ──→ G

电源/负载 ──→ D
                │
             MOSFET
                │
GND ←───────── S

栅极电压控制漏极和源极之间能不能导电。

关键控制量不是 $V_G$ ，而是：

V_{GS}=V_G-V_S

也就是栅极相对于源极的电压。

MOSFET 怎样作为开关

对于增强型 N 沟道 MOSFET：

$V_{GS}$ 足够低：D 和 S 之间不导通，MOSFET 关闭。
$V_{GS}$ 足够高：D 和 S 之间形成导电通道，MOSFET 打开。

例如：

MCU 输出 0V → MOSFET 关闭 → 电机不转。
MCU 输出 3.3V → MOSFET 打开 → 电流流过电机 → 电机转动。

典型低侧开关电流路径：

+12V
  │
 电机
  │
  D
MOSFET
  S
  │
 GND

MCU 只控制 Gate，不直接承担电机电流。

Gate 几乎不需要持续电流

MOSFET 经常被称为电压控制器件。

Gate 与内部导电通道之间有绝缘层，稳定状态下几乎没有直流电流进入 Gate。但 Gate 在电气上很像一个小电容：

给 Gate 电容充电 → MOSFET 打开
把 Gate 电荷放掉 → MOSFET 关闭

因此：

保持打开时，Gate 几乎不耗持续电流；
开关瞬间仍然需要充放电电流；
功率越大的 MOSFET，Gate 电荷通常越大；
高频开关时经常需要专用 Gate Driver。

Threshold voltage 不是完全导通电压

MOSFET 数据表会给出：

V_{GS(th)}

这个叫栅极阈值电压。

假设数据表写：

$V_{GS(th)} = 1\text{～}2.5\,\mathrm{V}$

它只表示 MOSFET 刚刚开始出现很小电流，不代表它已经适合驱动数安培电机。

真正需要看的是数据表有没有在：

$V_{GS} = 2.5\,\mathrm{V}$

或 $V_{GS} = 4.5\,\mathrm{V}$

条件下给出足够低的：

R_{DS(on)}

对于 3.3V MCU，应选择明确支持 2.5V 或 3.3V 栅极驱动的 logic-level MOSFET。

导通电阻和发热

MOSFET 打开后不是理想的零电阻，而是存在导通电阻：

R_{DS(on)}

导通损耗近似为：

P=I^2R_{DS(on)}

假设电机电流是 $5\,\mathrm{A}$ ，MOSFET 导通电阻是 $0.02\,\Omega$ ：

P=5^2\times0.02=0.5\,\mathrm{W}

如果堵转电流达到 $15\,\mathrm{A}$ ：

P=15^2\times0.02=4.5\,\mathrm{W}

所以电机堵转时，MOSFET 可能迅速发热甚至损坏。

为什么电机旁边需要 flyback 保护

有刷电机、电磁铁、继电器线圈都属于感性负载。

MOSFET 突然关闭时，电感会试图维持原来的电流：

V=L\frac{di}{dt}

电流变化越突然，产生的电压可能越高。

因此单向电机开关通常需要续流二极管：

       +12V
         │
    ┌── 电机 ──┐
    │          │
    └─ 二极管 ─┘
         │
       MOSFET
         │
        GND

MOSFET 关闭后，电机电流可以暂时经过二极管循环，避免产生过高电压损坏 MOSFET。

有刷电机为什么用四个 MOSFET

如果只使用一个 MOSFET，只能控制：

电机开
电机关
PWM 调速

如果希望电机正转和反转，需要改变电流方向，因此使用 H 桥：

     +V
      │
 MOSFET   MOSFET
      \   /
       电机
      /   \
 MOSFET   MOSFET
      │
     GND

一共四个 MOSFET。

打开左上和右下：电流向一个方向；
打开右上和左下：电流向另一个方向；
通过 PWM：控制平均电压和速度。

同一侧上下两个 MOSFET 不能同时打开，否则会直接把电源短接到地，这叫 shoot-through。

三相无刷电机为什么用六个 MOSFET

三相电机有：

U 相
V 相
W 相

每一相都需要一个上管和一个下管：

U 相：2 个 MOSFET
V 相：2 个 MOSFET
W 相：2 个 MOSFET

因此总共：

3\times2=6

这六个 MOSFET 构成三相逆变器：

直流电源
   │
六个 MOSFET
   │
 U / V / W
   │
无刷电机

控制器根据编码器测得的转子角度，精确控制六个 MOSFET 的开关，从而产生旋转磁场。

MOSFET 自带的 body diode

功率 MOSFET 通常天然带有一个体二极管：

D
│
MOSFET
│
S
  ↖ 内部存在 body diode

它在 H 桥和三相驱动中会参与续流，但它不一定足够快、损耗也不一定足够低，不能简单认为“有体二极管就不需要设计保护”。

N 沟道和 P 沟道

常见两种：

N 沟道 MOSFET

通常导通电阻更低；
效率更高；
很适合低侧开关和电机驱动；
功率电路中最常见。

P 沟道 MOSFET

高侧开关驱动相对简单；
同等尺寸下导通电阻通常更高；
常用于中小功率电源开关和反接保护。

大功率电机驱动通常尽量使用 N 沟道 MOSFET，但高侧 N MOSFET 需要专门的 Gate Driver，把栅极电压提升到高于 Source。

选择 MOSFET 看什么

机器人电机驱动至少要检查：

$V_{DS}$ ：能承受多高的漏源电压；
$I_D$ ：电流能力；
$R_{DS(on)}$ ：导通电阻；
对应的 $V_{GS}$ ：在 3.3V 或 5V 下是否真正导通；
$V_{GS(max)}$ ：栅极最大允许电压；
Gate charge：栅极电荷；
散热和封装；
安全工作区 SOA；
电机堵转和启动电流。

不要只看包装上写的“最大电流 100A”。这个数字通常依赖非常理想的散热和栅极驱动条件。

在机器人里的关系可以这样记：

组件	作用
MCU	决定什么时候动作
MOSFET	开关和调节大电流
电机	把电能变成机械运动
编码器	测量实际运动
控制算法	比较目标和实际结果

MOSFET 本身不是电机控制器，也不是传感器；它是控制器用来操纵电机功率的高速电子开关。

是那个mos晶体管吗

对，就是通常说的“MOS 管”或“MOS 晶体管”。

MOS 管 = MOSFET = 金属—氧化物—半导体场效应晶体管

常见叫法都是同一个东西：

MOS 管
MOSFET
功率 MOS
MOS 晶体管

例如电机驱动板上看到的黑色功率器件，很可能就是 MOSFET。

主要分为：

N-MOS：N 沟道 MOSFET
P-MOS：P 沟道 MOSFET

机器人电机驱动最常用 N-MOS，因为通常导通电阻更小、效率更高。

它与普通三极管 BJT 有区别：

器件	控制方式
BJT 三极管	用基极电流控制
MOSFET	用栅极电压控制

因此前面说的无刷电机驱动器内部，通常就是：

控制 MCU
   │
Gate Driver
   │
6 个功率 MOS 管
   │
三相无刷电机 U/V/W

所以“六个 MOSFET”也就是“六个 MOS 管”。

他负责控制高低电平?

更准确地说：

MOSFET 接收高低电平作为控制信号，然后控制大电流通路的接通或断开。

它不是专门“制造高低电平”，而是一个受高低电平控制的电子开关。

以常见的 N-MOS 低侧开关为例：

+12V
  │
 电机
  │
  D
N-MOS
  S
  │
 GND

MCU GPIO ──→ G

当 MCU 输出高电平：

Gate = 3.3V
Source = 0V
VGS = 3.3V
MOSFET 导通
电流流过电机
电机运转

当 MCU 输出低电平：

Gate = 0V
Source = 0V
VGS = 0V
MOSFET 关闭
电流停止
电机停止

所以控制关系是：

MCU Gate 信号	N-MOS	电机
高电平	导通	通电
低电平	关闭	断电

但 MOSFET 判断的不是 Gate 的绝对电压，而是：

V_{GS}=V_G-V_S

也就是 Gate 相对于 Source 的电压。

此外，MOSFET 快速接收高低电平，就可以形成 PWM：

高 低 高 低 高 低……
开 关 开 关 开 关……

改变“打开时间占比”，就能控制电机平均功率：

25% 占空比 → 功率较小
50% 占空比 → 中等功率
90% 占空比 → 功率较大

因此在电机系统里：

MCU 产生高低电平/PWM；
MOSFET 根据它开关大电流；
电机使用这部分电能产生运动。

在数字芯片内部，MOSFET 也可以组合成逻辑门，真正用来产生和传递高低电平；但在电机驱动中，更合适的理解是“大电流电子开关”。

mosfet 是一种amplifier?

是的，MOSFET 既可以作为开关，也可以作为放大器。

它本质上是一种晶体管：

Gate 电压的微小变化，可以控制 Drain–Source 之间较大的电流变化。

作为放大器

如果 Gate 电压稍微变化：

Gate 电压变化一点
        ↓
Drain 电流变化很多
        ↓
输出电压产生更大的变化

这就产生了放大作用。

典型共源放大器：

        +VDD
          │
         RD
          │
输出 ←────D
          │
       MOSFET
          │
输入 ─────G
          S
          │
         GND

输入的小电压变化控制漏极电流：

g_m=\frac{\Delta I_D}{\Delta V_{GS}}

其中 $g_m$ 称为跨导。

经过漏极电阻 $R_D$ ，电流变化变成更大的电压变化：

\Delta V_{out}\approx-\Delta I_D R_D

电压增益近似为：

A_v\approx-g_mR_D

负号表示输出方向与输入相反：

Gate 电压升高
→ Drain 电流增大
→ RD 上的压降增大
→ 输出电压降低

放大的能量从哪里来

MOSFET 不会凭空制造能量。

输入信号：决定变化形状
电源：提供放大后的能量
MOSFET：控制电源能量

类似于轻轻转动水龙头控制大量水流：

手的动作是输入信号；
水压是电源；
水龙头是 MOSFET；
水流变化是输出。

作为开关和放大器的区别

MOSFET 有几个工作区域：

工作区域	状态	用途
截止区	基本不导电	开关关闭
线性/欧姆区	像一个低电阻	开关打开
饱和区	电流受 Gate 控制	模拟放大

这里有一点容易混淆：

MOSFET 作为电机开关完全打开时，通常工作在线性/欧姆区；
MOSFET 作为模拟放大器时，通常工作在饱和区。

“线性区”这个名称不代表它一定用于模拟放大。

电机驱动为什么不把它当放大器用

如果 MOSFET 处于半开状态：

$V_{DS}$ 不小；
$I_D$ 也很大。

功耗为：

P=V_{DS}I_D

例如：

V_{DS}=6\,\mathrm{V},\quad I_D=3\,\mathrm{A}

则：

P=18\,\mathrm{W}

MOSFET 会产生大量热量。

所以电机控制通常让 MOSFET 快速切换：

完全关闭： $I\approx0$ ；
完全打开： $V_{DS}$ 很小。

再通过 PWM 调整平均功率，而不是长时间让它半开。

两种用途的总结

模拟放大器：

Gate 小变化
→ Drain 电流连续变化
→ 放大模拟信号

功率开关：

Gate 高/低
→ MOSFET 完全开/关
→ 控制电机大电流

所以 MOSFET 的确是一种放大器件，但在机器人电机驱动中，我们主要把它当作高速功率开关；在音频、射频、传感器前端和运算放大器内部，它则真正工作为模拟放大器。