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MOS管驅(qū)動(dòng)-解析MOS管寄生參數(shù)帶來的影響與驅(qū)動(dòng)電路要點(diǎn)概述-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2019-04-30 

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MOS管,MOS管驅(qū)動(dòng)電路

MOS管驅(qū)動(dòng)

MOS管驅(qū)動(dòng)電路,跟雙極性晶體管相比,一般認(rèn)為使MOS管導(dǎo)通不需要電流,只要GS電壓高于一定的值,就可以了。這個(gè)很容易做到,但是,我們還需要速度。


在MOS管的結(jié)構(gòu)中可以看到,在GS,GD之間存在寄生電容,而MOS管的驅(qū)動(dòng),實(shí)際上就是對(duì)電容的充放電。對(duì)電容的充電需要一個(gè)電流,因?yàn)閷?duì)電容充電瞬間可以把電容看成短路,所以瞬間電流會(huì)比較大。選擇/設(shè)計(jì)MOS管驅(qū)動(dòng)時(shí)第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。


第二注意的是,普遍用于高端驅(qū)動(dòng)的NMOS,導(dǎo)通時(shí)需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅(qū)動(dòng)的MOS管導(dǎo)通時(shí)源極電壓與漏極電壓(VCC)相同,所以這時(shí)柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個(gè)系統(tǒng)里,要得到比VCC大的電壓,就要專門的升壓電路了。很多馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器都集成了電荷泵,要注意的是應(yīng)該選擇合適的外接電容,以得到足夠的短路電流去驅(qū)動(dòng)MOS管。


上邊說的4V或10V是常用的MOS管的導(dǎo)通電壓,設(shè)計(jì)時(shí)當(dāng)然需要有一定的余量。而且電壓越高,導(dǎo)通速度越快,導(dǎo)通電阻也越小?,F(xiàn)在也有導(dǎo)通電壓更小的MOS管用在不同的領(lǐng)域里,但在12V汽車電子系統(tǒng)里,一般4V導(dǎo)通就夠用了。MOS管的驅(qū)動(dòng)電路及其損失,可以參考Microchip公司AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs。


源邊感抗帶來的影響

使得MOS管的開啟延遲和關(guān)斷延遲增加

由于存在源邊電感,在開啟和關(guān)段初期,電流的變化被拽了,使得充電和放電的時(shí)間變長(zhǎng)了。同時(shí)源感抗和等效輸入電容之間會(huì)發(fā)生諧振(這個(gè)諧振是由于驅(qū)動(dòng)電壓的快速變壓形成的,也是我們?cè)贕端看到震蕩尖峰的原因),我們加入的門電阻Rg和內(nèi)部的柵極電阻Rm都會(huì)抑制這個(gè)震蕩(震蕩的Q值非常高)。


MOS管,MOS管驅(qū)動(dòng)電路


我們需要加入的優(yōu)化電阻的值可以通過上述的公式選取,如果電阻過大則會(huì)引起G端電壓的過沖(優(yōu)點(diǎn)是加快了開啟的過程),電阻過小則會(huì)使得開啟過程變得很慢,加大了開啟的時(shí)間(雖然G端電壓會(huì)被抑制)。

園感抗另外一個(gè)影響是阻礙Id的變化,當(dāng)開啟的時(shí)候,初始時(shí)di/dt偏大,因此在原感抗上產(chǎn)生了較大壓降,從而使得源點(diǎn)點(diǎn)位抬高,使得Vg電壓大部分加在電感上面,因此使得G點(diǎn)的電壓變化減小,進(jìn)而形成了一種平衡(負(fù)反饋系統(tǒng))。

另外一個(gè)重要的寄生參數(shù)是漏極的感抗,主要是有內(nèi)部的封裝電感以及連接的電感所組成。


在開啟狀態(tài)的時(shí)候Ld起到了很好的作用(Subber吸收的作用),開啟的時(shí)候由于Ld的作用,有效的限制了di/dt/(同時(shí)減少了開啟的功耗)。在關(guān)斷的時(shí)候,由于Ld的作用,Vds電壓形成明顯的下沖(負(fù)壓)并顯著的增加了關(guān)斷時(shí)候的功耗。

驅(qū)動(dòng)(直連或耦合的)的一些重要特性和典型環(huán)節(jié)


直連電路最大挑戰(zhàn)是優(yōu)化布局

實(shí)際上驅(qū)動(dòng)器和MOS管一般離開很遠(yuǎn),因此在源級(jí)到返回路徑的環(huán)路上存在很大的感抗,即使我們考慮使用地平面,那么我們?nèi)耘f需要一段很粗的PCB線連接源級(jí)和地平面。


MOS管,MOS管驅(qū)動(dòng)電路


另外一個(gè)問題是大部分的集成芯片的輸出電流都比較小,因?yàn)橛捎诳刂祁l率較高,晶圓大小受到限制。同時(shí)內(nèi)部功耗很高也導(dǎo)致了IC的成本較高,因此我們需要一些擴(kuò)展分立的電路。


旁路電容的大小

由于開啟的瞬間,MOS管需要吸取大量的電流,因此旁路電容需要盡可能的貼近驅(qū)動(dòng)器電源端。

有兩個(gè)電流需要我們?nèi)タ紤]:第一個(gè)是驅(qū)動(dòng)器靜態(tài)電流,它收到輸入狀態(tài)的影響。他可以產(chǎn)生一個(gè)和占空比相關(guān)的紋波。

另外一個(gè)是G極電流,MOS管開通的時(shí)候,充電電流時(shí)將旁路電流的能量傳輸至MOS管輸入電容上。其紋波大小可用公式來表明,最后兩個(gè)可合在一起。


驅(qū)動(dòng)器保護(hù)


MOS管,MOS管驅(qū)動(dòng)電路


如果驅(qū)動(dòng)器輸出級(jí)為晶體管,那么我們還需要適當(dāng)?shù)谋Wo(hù)來防止反向電流。一般為了成本考慮,我們采用NPN的輸出級(jí)電路。NPN管子只能承受單向電流,高邊的管子輸出電流,低邊的管子吸收電流。在開啟和關(guān)閉的時(shí)候,無可避免的源感抗和輸入電容之間的振蕩使得電流需要上下兩個(gè)方向都有通路,為了提供一條方向通路,低電壓的肖特基二極管可以用來保護(hù)驅(qū)動(dòng)器的輸出級(jí),這里注意這兩個(gè)管子并不能保護(hù)MOS管的輸入級(jí)(離MOS管較遠(yuǎn)),因此二極管需要離驅(qū)動(dòng)器引腳非常近。


晶體管的圖騰柱結(jié)構(gòu)


MOS管,MOS管驅(qū)動(dòng)電路


這是最便宜和有效地驅(qū)動(dòng)方式,此電路需要盡量考慮MOS管,這樣可以使得開啟時(shí)大電流環(huán)路盡可能小,并且此電路需要專門的旁路電容。Rgate是可選的,Rb可以根據(jù)晶體管的放大倍數(shù)來選擇。兩個(gè)BE之間的PN結(jié)有效的實(shí)現(xiàn)了反壓時(shí)候的相互保護(hù),并能有效的把電壓嵌位在VCC+Vbe,GND-Vbe之間。


加速器件

MOS管開通的時(shí)候,開啟的速度主要取決于二極管的反向特性。

因此MOS管關(guān)斷的時(shí)間需要我們?nèi)?yōu)化,放電曲線取決于Rgate,Rgate越小則關(guān)斷越快。下面有好幾個(gè)方案:


(一)二極管關(guān)斷電路


MOS管,MOS管驅(qū)動(dòng)電路


這是最簡(jiǎn)單的加速電路。Rgate調(diào)整著MOS管的開啟速度,當(dāng)關(guān)斷的時(shí)候,由二極管短路電阻,此時(shí)G極電流最小為:Imin=Vf/Rgate。

此電路的優(yōu)點(diǎn)是大大加速了關(guān)斷的速度,但是它僅在電壓高的時(shí)候工作,且電流仍舊流向驅(qū)動(dòng)器。


(二)PNP關(guān)斷電路


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這是最流行和通用的電路,利用PNP的管子,在關(guān)斷期間,源極和柵極被短路了。二極管提供了開啟時(shí)候的電流通路(并且有保護(hù)PNP管子eb免受反向電壓的影響),Rgate限制了開啟的速度。


電路的最大的好處是放電電流的尖峰被限制在最小的環(huán)路中,電流并不返回至驅(qū)動(dòng)器,因此也不會(huì)造成地彈的現(xiàn)象,驅(qū)動(dòng)器的功率也小了一半,三極管的存在減小了回路電感。仔細(xì)看這個(gè)電路其實(shí)是圖騰柱結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化,電路的唯一的缺點(diǎn)是柵極電壓并不釋放到0V,而是存在EC極的壓差。


(三)NPN關(guān)斷電路


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優(yōu)點(diǎn)和上面的PNP管子相同,缺點(diǎn)是加入了一個(gè)反向器,加入反向器勢(shì)必會(huì)造成延遲。


(四)NMOS關(guān)斷電路


MOS管,MOS管驅(qū)動(dòng)電路


這個(gè)電路可以使得MOS管關(guān)斷非常快,并且柵極電壓完全釋放至零電壓。不過小NMOS管子需要一個(gè)方向電壓來驅(qū)動(dòng)。問題也存在,NMOS的Coss電容和主MOS管的CISS合成變成等效的電容了。


MOS開關(guān)管損失

不管是NMOS還是PMOS,導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在,因而在DS間流過電流的同時(shí),兩端還會(huì)有電壓(如2SK3418特性圖所示),這樣電流就會(huì)在這個(gè)電阻上消耗能量,這部分消耗的能量叫做導(dǎo)通損耗。選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管會(huì)減小導(dǎo)通損耗?,F(xiàn)在的小功率MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾十毫歐左右,幾毫歐的也有。


mos在導(dǎo)通和截止的時(shí)候,一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個(gè)下降的過程,流過的電流有一個(gè)上升的過程,在這段時(shí)間內(nèi),MOS管的損失是電壓和電流的乘積,叫做開關(guān)損失。通常開關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多,而且開關(guān)頻率越快,損失也越大。


下圖是MOS管導(dǎo)通時(shí)的波形??梢钥闯?,導(dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積很大,造成的損失也就很大。降低開關(guān)時(shí)間,可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失;降低開關(guān)頻率,可以減小單位時(shí)間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關(guān)損失。


MOS管,MOS管驅(qū)動(dòng)電路



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