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  • 解析MOS管柵極驅(qū)動(dòng)電阻如何優(yōu)化設(shè)計(jì)
    • 發(fā)布時(shí)間:2020-11-13 18:00:29
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    解析MOS管柵極驅(qū)動(dòng)電阻如何優(yōu)化設(shè)計(jì)
    MOS管柵極驅(qū)動(dòng)電阻如何優(yōu)化設(shè)計(jì)
    MOS管的驅(qū)動(dòng)對(duì)其工作效果起著決定性的作用。設(shè)計(jì)師既要考慮減少開(kāi)關(guān)損耗,又要求驅(qū)動(dòng)波形較好即振蕩小、過(guò)沖小、EMI小。這兩方面往往是互相矛盾的,需要尋求一個(gè)平衡點(diǎn),即驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
    MOS管柵極驅(qū)動(dòng)電阻:驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)包含兩部分內(nèi)容:一是最優(yōu)的驅(qū)動(dòng)電流、電壓的波形;二是最優(yōu)的驅(qū)動(dòng)電壓、電流的大小。在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)之前,必須先清楚MOS管的模型、MOS管的開(kāi)關(guān)過(guò)程、MOS管的柵極電荷以及MOS管的輸入輸出電容、跨接電容、等效電容等參數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)的影響。
    MOS管的模型
    MOS管的等效電路模型及寄生參數(shù)如圖1所示。圖1中各部分的物理意義為:
    (1)LG和LG代表封裝端到實(shí)際的柵極線路的電感和電阻。
    (2)C1代表從柵極到源端N+間的電容,它的值是由結(jié)構(gòu)所固定的。
    (3)C2+C4代表從柵極到源極P區(qū)間的電容。C2是電介質(zhì)電容,共值是固定的。而C4是由源極到漏極的耗盡區(qū)的大小決定,并隨柵極電壓的大小而改變。當(dāng)柵極電壓從0升到開(kāi)啟電壓UGS(th)時(shí),C4使整個(gè)柵源電容增加10%~15%。
    (4)C3+C5是由一個(gè)固定大小的電介質(zhì)電容和一個(gè)可變電容構(gòu)成,當(dāng)漏極電壓改變極性時(shí),其可變電容值變得相當(dāng)大。
    (5)C6是隨漏極電壓變換的漏源電容。
    MOS管柵極驅(qū)動(dòng)電阻
    MOS管輸入電容(Ciss)、跨接電容(Crss)、輸出電容(Coss)和柵源電容、柵漏電容、漏源電容間的關(guān)系如下:
    MOS管柵極驅(qū)動(dòng)電阻
    MOS管的開(kāi)通過(guò)程
    開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)模式電路如圖2所示,二極管可是外接的或MOS管固有的。開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通時(shí)的二極管電壓、電流波形如圖3所示。
    在圖3的階段1開(kāi)關(guān)管關(guān)斷,開(kāi)關(guān)電流為零,此時(shí)二極管電流和電感電流相等;在階段2開(kāi)關(guān)導(dǎo)通,開(kāi)關(guān)電流上升,同時(shí)二極管電流下降。開(kāi)關(guān)電流上升的斜率和二極管電流下降的斜率的絕對(duì)值相同,符號(hào)相反;在階段3開(kāi)關(guān)電流繼續(xù)上升,二極管電流繼續(xù)下降,并且二極管電流符號(hào)改變,由正轉(zhuǎn)到負(fù);
    在階段4,二極管從負(fù)的反向最大電流IRRM開(kāi)始減小,它們斜率的絕對(duì)值相等;在階段5開(kāi)關(guān)管完全開(kāi)通,二極管的反向恢復(fù)完成,開(kāi)關(guān)管電流等于電感電流。
    MOS管柵極驅(qū)動(dòng)電阻
    圖4是存儲(chǔ)電荷高或低的兩種二極管電流、電壓波形。從圖中可以看出存儲(chǔ)電荷少時(shí),反向電壓的斜率大,并且會(huì)產(chǎn)生有害的振動(dòng)。而前置電流低則存儲(chǔ)電荷少,即在空載或輕載時(shí)是最壞條件。所以進(jìn)行優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮前置電流低的情況,即空載或輕載的情況,應(yīng)使這時(shí)二極管產(chǎn)生的振動(dòng)在可接受范圍內(nèi)。
    MOS管柵極驅(qū)動(dòng)電阻
    柵極電荷QG和驅(qū)動(dòng)效果的關(guān)系
    柵極電荷QG是使柵極電壓從0升到10V所需的柵極電荷,它可以表示為驅(qū)動(dòng)電流值與開(kāi)通時(shí)間之積或柵極電容值與柵極電壓之積。現(xiàn)在大部分MOS管的柵極電荷QG值從幾十納庫(kù)侖到一、兩百納庫(kù)侖。
    柵極電荷QG包含了兩個(gè)部分:柵極到源極電荷QGS;柵極到漏極電荷QGD—即“Miller”電荷。QGS是使柵極電壓從0升到門(mén)限值(約3V)所需電荷;QGD是漏極電壓下降時(shí)克服“Miller”效應(yīng)所需電荷,這存在于UGS曲線比較平坦的第二段(如圖5所示),此時(shí)柵極電壓不變、柵極電荷積聚而漏極電壓急聚下降,也就是在這時(shí)候需要驅(qū)動(dòng)尖峰電流限制,這由芯片內(nèi)部完成或外接電阻完成。
    實(shí)際的QG還可以略大,以減小等效RON,但是太大也無(wú)益,所以10V到12V的驅(qū)動(dòng)電壓是比較合理的。這還包含一個(gè)重要的事實(shí):需要一個(gè)高的尖峰電流以減小MOS管損耗和轉(zhuǎn)換時(shí)間。
    MOS管柵極驅(qū)動(dòng)電阻
    優(yōu)化柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
    MOS管柵極驅(qū)動(dòng)電阻:在大多數(shù)的開(kāi)關(guān)功率應(yīng)用電路中,當(dāng)柵極被驅(qū)動(dòng),開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)漏極電流上升的速度是漏極電壓下降速度的幾倍,這將造成功率損耗增加。為了解決問(wèn)題可以增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)電流,但增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)上升斜率又將帶來(lái)過(guò)沖、振蕩、EMI等問(wèn)題。優(yōu)化柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì),正是在互相矛盾的要求中尋求一個(gè)平衡點(diǎn),而這個(gè)平衡點(diǎn)就是開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)漏極電流上升的速度和漏極電壓下降速度相等這樣一種波形,理想的驅(qū)動(dòng)波形如圖6所示。
    圖6的UGS波形包括了這樣幾部分:
    UGS第一段是快速上升到門(mén)限電壓;UGS第二段是比較緩的上升速度以減慢漏極電流的上升速度,但此時(shí)的UGS也必須滿足所需的漏極電流值;UGS第四段快速上升使漏極電壓快速下降;UGS第五段是充電到最后的值。
    當(dāng)然,要得到完全一樣的驅(qū)動(dòng)波形是很困難的,但是可以得到一個(gè)大概的驅(qū)動(dòng)電流波形,其上升時(shí)間等于理想的漏極電壓下降時(shí)間或漏極電流上升的時(shí)間,并且具有足夠的尖峰值來(lái)充電開(kāi)關(guān)期間的較大等效電容。該柵極尖峰電流IP的計(jì)算是:電荷必須完全滿足開(kāi)關(guān)時(shí)期的寄生電容所需。
    MOS管柵極驅(qū)動(dòng)電阻
    結(jié)論
    本文詳細(xì)介紹了MOS管的電路模型、開(kāi)關(guān)過(guò)程、輸入輸出電容、等效電容、電荷存儲(chǔ)等對(duì)MOS管驅(qū)動(dòng)波形的影響,及根據(jù)這些參數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)波形的影響進(jìn)行的驅(qū)動(dòng)波形的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例,取得了較好的實(shí)際效果。
    影響MOSFET開(kāi)關(guān)速度除了其本身固有Tr,Tf外,還有一個(gè)重要的參數(shù):Qg (柵極總靜電荷容量).該參數(shù)與柵極驅(qū)動(dòng)電路的輸出內(nèi)阻共同構(gòu)成了一個(gè)時(shí)間參數(shù),影響著MOSFET的性能。
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