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MOS管驅動電路要點解析-MOS管寄生參數帶來的影響有哪些-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2019-05-16 

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MOS管,MOS管寄生參數,驅動電路

MOS管驅動電路詳解

跟雙極性晶體管相比,一般認為使MOS管導通不需要電流,只要GS電壓高于一定的值,就可以了。這個很容易做到,但是,我們還需要速度。


在MOS管的結構中可以看到,在GS,GD之間存在寄生電容,而MOS管的驅動,實際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個電流,因為對電容充電瞬間可以把電容看成短路,所以瞬間電流會比較大。選擇/設計MOS管驅動時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,普遍用于高端驅動的NMOS,導通時需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅動的MOS管導通時源極電壓與漏極電壓(VCC)相同,所以這時柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個系統里,要得到比VCC大的電壓,就要專門的升壓電路了。很多馬達驅動器都集成了電荷泵,要注意的是應該選擇合適的外接電容,以得到足夠的短路電流去驅動MOS管。


上邊說的4V或10V是常用的MOS管的導通電壓,設計時當然需要有一定的余量。而且電壓越高,導通速度越快,導通電阻也越小?,F在也有導通電壓更小的MOS管用在不同的領域里,但在12V汽車電子系統里,一般4V導通就夠用了。


MOS管寄生參數的影響與驅動電路解析

我們在應用MOS管和設計MOS管驅動的時候,有很多寄生參數,其中最影響MOS管開關性能的是源邊感抗。寄生的源邊感抗主要有兩種來源,第一個就 是晶圓DIE和封裝之間的Bonding線的感抗,另外一個就是源邊引腳到地的PCB走線的感抗(地是作為驅動電路的旁路電容和電源網絡濾波網的返回路徑)。在某些情況下,加入測量電流的小電阻也可能產生額外的感抗。

源邊感抗帶來的影響如下面所寫。


使得MOS管的開啟延遲和關斷延遲增加

由于存在源邊電感,在開啟和關段初期,電流的變化被拽了,使得充電和放電的時間變長了。同時源感抗和等效輸入電容之間會發生諧振(這個諧振是由于驅動電壓的 快速變壓形成的,也是我們在 G端看到震蕩尖峰的原因),我們加入的門電阻Rg和內部的柵極電阻Rm都會抑制這個震蕩(震蕩的Q值非常高)。


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

園感抗另外一個影響是阻礙Id的變化,當開啟的時候,初始時di/dt偏大,因此在原感抗上產生了較大壓降,從而使得源點點位抬高,使得Vg電壓大部分加在電感上面,因此使得G點的電壓變化減小,進而形成了一種平衡(負反饋系統)。


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


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


直連電路最大挑戰是優化布局

實際上驅動器和MOS管一般離開很遠,因此在源級到返回路徑的環路上存在很大的感抗,即使我們考慮使用地平面,那么我們仍舊需要一段很粗的PCB線連接源級和地平面。


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另外一個問題是大部分的集成芯片的輸出電流都比較小,因為由于控制頻率較高,晶圓大小受到限制。同時內部功耗很高也導致了IC的成本較高,因此我們需要一些擴展分立的電路。


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動器電源端。


有兩個電流需要我們去考慮:第一個是驅動器靜態電流,它收到輸入狀態的影響。他可以產生一個和占空比相關的紋波。


另外一個是G極電流,MOS管開通的時候,充電電流時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,最后兩個可合在一起。


驅動器保護


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如果驅動器輸出級為晶體管,那么我們還需要適當的保護來防止反向電流。一般為了成本考慮,我們采用NPN的輸出級電路。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。在開啟和關閉的時候,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驅動器的輸出級,這里注意這兩個管子并不能保護MOS管的輸入級(離MOS管較遠),因此二極管需要離驅動器引腳非常近。


晶體管的圖騰柱結構


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這是最便宜和有效地驅動方式,此電路需要盡量考慮MOS管,這樣可以使得開啟時大電流環路盡可能小,并且此電路需要專門的旁路電容。Rgate是可選 的,Rb可以根據晶體管的放大倍數來選擇。兩個BE之間的PN結有效的實現了反壓時候的相互保護,并能有效的把電壓嵌位在VCC+Vbe,GND-Vbe 之間。


加速器件

MOS管開通的時候,開啟的速度主要取決于二極管的反向特性。


因此MOS管關斷的時間需要我們去優化,放電曲線取決于Rgate,Rgate越小則關斷越快。下面有好幾個方案:


(一)二極管關斷電路


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這是最簡單的加速電路。Rgate調整著MOS管的開啟速度,當關斷的時候,由二極管短路電阻,此時G極電流最小為:Imin=Vf / Rgate 。


此電路的優點是大大加速了關斷的速度,但是它僅在電壓高的時候工作,且電流仍舊流向驅動器。


(二)PNP關斷電路


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這是最流行和通用的電路,利用PNP的管子,在關斷期間,源極和柵極被短路了。二極管提供了開啟時候的電流通路(并且有保護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路中,電流并不返回至驅動器,因此也不會造成地彈的現象,驅動器的功率也小了一半,三極管的存在減小了回路電感。


仔細看這個電路其實是圖騰柱結構的簡化,電路的唯一的缺點是柵極電壓并不釋放到0V,而是存在EC極的壓差。


(三)NPN關斷電路


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優點和上面的PNP管子相同,缺點是加入了一個反向器,加入反向器勢必會造成延遲。


(四)NMOS關斷電路


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這個電路可以使得MOS管關斷非???,并且柵極電壓完全釋放至零電壓。不過小NMOS管子需要一個方向電壓來驅動。 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。


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