高速MOS驱动电路设计和应用指南

1、高速MOS驱动电路设计与应用指南摘要信息本文的主要目的是证明设计高速开关应用的高性能栅极驱动电路的系统研究方法。“一次停止”主题信息的集合，用于解决设计的最常见难题。因此，各级电力电子工程师都应该关注它。分析了寄生部分的影响、瞬态和极限工作等最广泛使用的电路解决方案及其性能。完整文章从MOSFET技术和交换机操作概述开始，在分析复杂问题之前进行简短讨论。详细介绍了接地和高边门驱动电路、交流耦合和变压器隔离的设计过程的解决方案。其中一章旨在解决同步整流应用中的栅极驱动器MOSFET要求。此外，还有分析设计范例的逐步参数。简介MOSFET是metal oxide semiconductor fie

2、ld effect transistor的缩写，是电子行业高频高效交换机应用程序中的重要组件。你可能不相信，FET是在1930年比双极晶体管发明的大约20年前。第一个信号级FET晶体管是在20世纪60年代末制造的，电力MOSFET在20世纪80年代开始使用。今天，数千个MOSFET晶体管集成在现代电子部件中，从小型功率晶体管到“离散”功率晶体管。本主题重点介绍了各种交换机型号功率转换应用中的栅极驱动功率MOSFET要求。场效应晶体管技术双极晶体管和场效应晶体管具有相同的工作原理。基本上，两种类型的晶体管与电荷控制元件输出电流和控制极半导体内的电荷量成正比。当这些装置用作开关时，两者都必须与低阻

3、抗源极的糖类和灌溉电流分开，提供快速注入和释放以控制极电荷。在这方面，MOS-FET有一个持续的开关，在与双极晶体管比较速度时，它由非常“强烈”的驱动。理论上，双极晶体管和MOSFET的开关速度基本相同，具体取决于晶体管通过半导体所需的时间。电源设备的典型值为20到200节距，但是此时间与设备的大小相关。与双极结晶体管相比，MOSFET有两个优点，在数字技术应用和电力应用领域得到了广泛应用和发展。优点之一是MOSFET在高频交换机应用中更易于使用。MOSFET具有隔离的控制极和电流传导区域，因此不需要持续电流来控制，从而使其更易于驱动。MOSFET传导后驱动电流几乎为零。此外，在MOSFET中

4、，控制电荷的积累和储存时间也大大减少。这基本上解决了设计中传导电压降(与超额控制电荷成反比)和阻塞时间之间的矛盾。因此，MOSFET技术是更简单、更高效的驱动电路，比晶体管设备具有更大的经济优势。此外，特别要强调MOSFET本身在电源上具有阻抗特性。MOSFET泄漏源侧的电压降与通过半导体的电流呈线性关系。这种线性关系用MOSFET的RDS(on)传导阻抗表示。具有给定栅源电压和温度的设备的传导阻抗是恒定的。P-n接头-与2.2 mv/c的温度系数相反，MOSFET具有约0.7%/c至1%/c的正温度系数。MOSFET的正温度系数是高功率电源应用中并行操作的理想选择，因为使用一个设备不实用或不

5、可能。由于MOSFET的良好温度系数，并联管通常均流。电流的分布是自动实现的，因为温度系数是慢的负反馈系统。电流越多，设备的温度就越高，但是不要忘记源漏极之间的电压是恒定的。温度越高，源漏极之间的电阻越大，电阻越大，电流就越小，因此管内的温度又下降了。最终达到一个动态平衡，平行管全部通过相同的电流。在电流分配中，具有与源泄漏传导电阻初始值不同的温度特性的接合电阻在平均分担电流时会产生高达30%的大误差。设备类型几乎所有MOSFET制造商都有制造最佳管材的独特制造技术(如图1所示)，但是在市场上，所有这些管材都可以分为三个基本类别。双扩散型晶体管从1970年开始在电力方面应用，此后持续发展。采用

6、多晶硅栅结构和自动调整工艺，可快速降低高密度集成和电容。下一个重要进步是通过电源MOSFET设备的v形槽技术或沟渠技术进一步提高强度。更好的性能和更高的聚合性不是您想要的。因为制造MOS设备沟更困难。其中第三种设备类型是水平功率MOSFET。此设备的电压和电流因芯片形状的效率低下而受到限制。但是，它在低压应用程序(如小型电源或隔离转换同步适配器)中具有很大优势。侧功率MOSFET具有相当大的电容，因此开关速度快，浇口驱动损失小。场效应晶体管模型有很多模型显示了MOSFET的工作方式，但要找到正确的合适模型更为困难。大多数MOSFET制造商在其设备上提供了通用或军用型号，但是这些型号很少通知用户

7、实际使用的陷阱。他们甚至很少提供使用过程中最常见问题的解决方案。实际上，有用的MOSFET模型从应用的角度描述了设备的所有重要特性，因此模型可能相当复杂。另一方面，将模型限制在问题区域可以获得非常简单和有意义的MOSFET模型。图2中的第一个模型基于MOSFET设备的物理结构，主要用于直流分析。表示通道阻抗和JFET(相当于外延层的阻抗)。外延层的厚度(确定外延层的阻抗)是设备额定电压的函数，高压MOSFET需要厚的外延层。图2b显示了MOSFET的dv/dt导致的破坏特性。主要展示了诱导寄生晶体管(在所有管中)的传导和dv/dt根据栅极阻抗诱发通道传导的两种破坏机制。现代功率MOSFET由于

8、生产过程的增加，降低了基座和发射极的电阻，因此实际上对dv/dt寄生npn晶体管传导活动具有免疫力。必须指出，寄生双极性晶体管也起着另一个重要作用。其基本集合体是著名的MOSFET的本体二极管。图2c是场效应晶体管的开关模型。影响开关性能的最重要的寄生部分显示在此模型中。将在下一章中讨论对设备上的交换机过程的影响。MOSFET的重要参数当MOSFET在交换机状态下工作时，目标是在可能的最短时间内实现最小阻抗和最大阻抗之间的设备切换。MOSFET的实际交换机时间(10ns60ns)比理论交换机时间(50ps200ps)大2到3倍以上，因此需要理解这一区别。参考图2中的MOSFET型号，您可以看到

9、所有型号在设备的三端之间具有等效电容。毫无疑问，开关速度和性能由这三种电容的电压变化速度决定。因此，在高速开关应用中，设备的寄生电容是一个重要参数。容量CGS和容量CGD与设备的实际几何尺寸相关，而容量CDS是寄生在两组晶体管的基本集二极管之间的电容。容量CGS是由源和浇口形成的通道区域重叠形成的。此值由配件的实际区域几何图形标注决定，在其他作业条件下保持不变。容量CGD由两个因素决定。一、耗竭层(非线性)的电容；第二个是JFET区域和灌嘴的复叠。等效电容CGD是设备泄漏源极电压的函数，通常可以使用以下公式计算：电容器CDS也是非线性的，因为它是本体二极管的结电容器。与电压的关系如下：不幸的是

10、，所有这些电容不包含在设备的数据表中，而是进行了说明。这些值由栅短路共源输入电容(Ciss)、栅短路共源反向传输电容(Crss)、栅短路共源输出电容(Coss)间接给出，必须使用以下公式计算：在交换机应用程序中，容量CGD可能会引起其他复杂的问题，因为它位于设备输入和输出之间的反馈环路上。因此，开关应用中的有效值可能很大，其值取决于MOSFET的泄漏源极电压。这种现象称为“米勒”效果，可以表示为：容量CGD和CGS与电压相关，因此只有在列出测试条件时，该数据中的数据才有效。对于确定的应用程序，其平均电容值应由计算，计算基于在实际电压下设置所需的电荷。以下公式适用于大多数功率MOSFET:下一个

11、要关注的重要参数是浇口网格阻抗、Rg、I。这种寄生阻抗描述了设备内部的栅极信号分配和阻抗之间的连接。这在高速交换机应用中尤其重要，因为它在驱动程序和设备输入电容之间直接影响MOSFET的交换时间和dv/dt功能。在实际高速MOSFET设备(如RF MOSFET)中，使用金属浇口进行浇口信号分配而不是高阻抗的硅浇口的工业生产中，认识到了此问题。I在数据表中不表示电阻rg，但在实际应用中，它可能是设备的一个非常重要的特征。本文稍后，附录A4显示了使用阻抗桥确定栅极内部电阻值的典型测量装置。很明显，栅极临界电压也是临界特性。需要注意的是，设备数据表中的电压(VTH)值为25 ，泄漏电流非常小，电流的

12、典型值为250uA。因此，它与栅极开关波形的米勒平坦区域不相同。另一种对启动电压VTH的提及是约-7mv/c的温度系数，在MOSFET逻辑级门电路驱动程序中具有特别重要的意义，工作电压VTH低于正常测试条件。MOS FET在高温度下工作，因此栅极驱动器设计必须考虑截止时的低开路电压，dv/dt免疫功能的计算在附录a和f中进行了说明。场效应晶体管的跨导是线性工作区中小信号的增益。必须指出，每当管传导或终止时，均必须通过线性工作区。此时，电流取决于栅极源电压。正向跨导GFS反映了泄漏电流和栅极源电压之间的小信号关系，如下所示：因此，MOSFET在线区域的最大电流公式为：转换VGS，Miller平坦

13、区域电压可以近似为泄漏电流的函数。其他重要参数(例如LD -泄漏电感和Ls -源极电感)对开关性能也有显着限制。典型的LD和Ls值列在设备数据表中，其值主要与设备的包类型相关。这些效果通常可以与外部寄生元件(通常是布局和外部电路元素，如漏电距离、电阻检测等)一起分析。完整的外部系列栅极电阻和MOSFET的输出阻抗是高速栅极驱动器设计中的决定性因素，因为开关速度和最终开关损耗具有重要意义。应用交换机现在，我们讨论了所有角色，我们来看一下MOSFET的实际交换机行为。为了更好地理解其基本过程，电路的寄生电感将被忽略。然后，在基本操作中单独分析每个影响。此外，以下说明与钳位感应开关有关，因为大多数M

14、OSFET晶体管和高速门驱动电路在该模式下工作。如图3 (Figure)所示，直流电流源是表示传感器的最简单的钳位感应开关型号之一。如果开关间距小，则电流可能被视为连续。二极管在MOSFET关闭期间为电流提供电路，设备的泄漏端标有电池。传导过程MOSFET的传导过程可以分为图4(例如，Figure4)中所示的四个阶段。第一步：输入电容从0充电到Vth，在此过程中，浇口中的大部分电流用于充电电容CGS，通过电容CGS的电流也较少。电容CGS的电压增加到门限值时，电压会稍微降低。此过程称为传导延迟，因为设备的泄漏电流和泄漏电压没有改变。栅极电压达到开路电压时，MOSFET处于微传导状态。在第二阶段

15、，浇口电压从Vth上升到米勒平坦区域，即VGS，Miller。这是设备的线性工作区域，其电流与栅极电压成正比。如果电流从栅极一侧流向电容器CGS和CGD(如步骤1中所示)，则电容VGS的电压将继续增加。在设备的输出方面，泄漏电流继续增大，但泄漏源电压基本保持在以前的水平(VDS，OFF)。这可以在图3的原理图中看到。如果所有电流都流入MOSFET，二极管完全阻塞(pn接头可以承受反向电压)，则泄漏电压必须保持在输出电压级别。闸门的第三阶段，闸电压(VGS，Miller)足以通过所有泄漏电流，整流器二极管已完全关闭。现在允许泄漏电压降。设备泄漏电压降期间，栅源电压保持不变。这是闸电压波形的米勒平

16、坦区域。从驱动中获得的所有可用栅极电流均通过电容CGD放电，从而加快泄漏源电压变化。泄漏电流目前受外部电路(直流电流源)限制，因此很少更改。最后一个阶段，MOSFET通道处于完全传导状态，因为浇口电压足够高。最终VGS电压振幅确定设备的最终传导阻抗。因此，在第四阶段，电压VGS从米勒平坦区域增加到最大VDRV。这是因为电容器CGS和CGD的充电完成，所以栅极电流被分为这两部分。在两个电容器充电的过程中，泄漏电流保持不变，泄漏源电压也随着传导阻抗的降低而慢慢减小。阻塞过程MOSFET的阻塞过程与传导过程完全相反。电压VGS从图3中的VDRV开始，电流从图3中的最大负载电流IDC开始。泄漏源电压由MOSFET的电流IDC和传导阻抗确定。图5显示了退出的四个步骤。第一阶段是截止延迟，在此阶段，电容CISS必须从初始值电压放电到米勒平坦区域级别。在此期间，栅极电流由电容器CISS提供，并流入MOSFET的电容CGS和CGD。设备的泄漏电压随着过载电压的降低而略有增加。在此阶段，泄漏电流很少变化。在第二阶段，可以看到管的泄漏源电压从IDCRDS(On)增加到最终值(VDS(off)，在图3的原理图中由整流二极管强制确定。在此阶段，即与栅极电压波形相对应的米勒平坦区域，栅极电流是完全电容器CGD上的充电电流，因为栅极源电压是恒定的。该电流由电源级旁路电容提供，并从泄漏电流中减去。总泄