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  • 高速MOS驅(qū)動應(yīng)用指南詳情解析
    • 發(fā)布時間:2020-11-09 17:45:40
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    高速MOS驅(qū)動應(yīng)用指南詳情解析
    高速MOS驅(qū)動應(yīng)用指南
    高速MOS驅(qū)動應(yīng)用:雙極晶體管和場效應(yīng)晶體管有著相同的工作原理。從根本上說,,兩種類型晶體管均是電荷控制元件,即它們的輸出電流和控制極半導(dǎo)體內(nèi)的電荷量成比例。
    當(dāng)這些器件被用作開關(guān)時,兩者必須和低阻抗源極的拉電流和灌電流分開,用以為控制極電荷提供快速的注入和釋放。從這點看,MOS-FET在不斷的開關(guān),當(dāng)速度可以和雙極晶體管相比擬時,它被驅(qū)動的將十分的‘激烈’。
    理論上講,雙極晶體管和MOSFET的開關(guān)速度是基本相同的,這取決與載流子穿過半導(dǎo)體所需的時間。在功率器件的典型值為20 ~ 200皮秒,但這個時間和器件的尺寸大小有關(guān)。與雙極結(jié)型晶體管相比,MOSFET在數(shù)字技術(shù)應(yīng)用和功率應(yīng)用上的普及和發(fā)展得益于它的兩個優(yōu)點。
    優(yōu)點之一就是在高頻率開關(guān)應(yīng)用中MOSFET使用比較方便。MOSFET更加容易被驅(qū)動,這是因為它的控制極和電流傳導(dǎo)區(qū)是隔離開的,因此不需要一個持續(xù)的電流來控制。一旦MOSFET導(dǎo)通后,它的驅(qū)動電流幾乎為0。
    另外,在MOSFET中,控制電荷的積累和存留時間也大大的減小了。這基本解決了設(shè)計中導(dǎo)通電壓降(和多余的控制電荷成反比)和關(guān)斷時間之間的矛盾。因此,MOSFET技術(shù)以其更加簡單的、高效的驅(qū)動電路使它比晶體管設(shè)備具有更大的經(jīng)濟(jì)效益。
    高速MOS驅(qū)動應(yīng)用:開關(guān)應(yīng)用
    我們來研究下MOSFET的真實開關(guān)行為。為了更好的理解其基本過程,電路中的寄生電感將會被忽略掉。隨后,它們在基本工作中各自的影響將會單獨的分析。
    此外,下面的說明和鉗位感應(yīng)開關(guān)有關(guān),這因為大多數(shù)被用于電源模式的MOSFET晶體管和高速門驅(qū)動電路工作于那個模式。
    高速MOS驅(qū)動應(yīng)用
    一個最簡單的鉗位感應(yīng)開關(guān)模型如圖三(Figure)所示, 直流電流源代表感應(yīng)器。在開關(guān)間隔比較小的情況下,它的電流可看作是連續(xù)的。在MOSFET截止期間二極管為電流提供了一個回路,設(shè)備的漏極終端用一個電池來象征表示。
    高速MOS驅(qū)動應(yīng)用:導(dǎo)通過程
    MOSFET的導(dǎo)通過程可分為如圖4(即Figure4)所示的四個階段。
    高速MOS驅(qū)動應(yīng)用
    第一個階段:輸入電容從0開始充電到Vth,在這個過程,柵極絕大部分電流都用來給電容CGS充電,也有很小的電流流過電容CGS。當(dāng)電容CGS的電壓增加到門的極限時,它的電壓就會有稍微的減小。這個過程稱為導(dǎo)通延遲,這是因為此時器件的漏極電流和漏極電壓均未發(fā)生變化。
    當(dāng)柵極電壓達(dá)到開啟電壓時,MOSFET處于微導(dǎo)通狀態(tài)。在第二個階段,柵極電壓從Vth上升到Miller平坦區(qū),即VGS,Miller。這是器件的線性工作區(qū),電流和柵極電壓成正比。在柵極的一側(cè),電流如第一階段一樣流入電容CGS和CGD,電容VGS的的電壓將會不斷升高。
    在器件的輸出端,漏極電流也不斷變大,但是漏源電壓基本不變,保持先前水平(VDS,OFF)。這從圖3的原理圖可以看出來。當(dāng)所有電流都流入MOSFET而且二極管完全截止(pn結(jié)能承受反向電壓)后,漏極電壓必須保持在輸出電壓水平。
    進(jìn)入導(dǎo)通過程的第三個階段,柵極電壓(VGS,Miller)已經(jīng)足夠使漏極電流全部通過,而且整流二極管處于完全截止?fàn)顟B(tài)。現(xiàn)在允許漏極電壓下降。在器件漏極電壓下降過程中,柵源電壓保持不變。
    這就是柵極電壓波形的Miller平坦區(qū)。從驅(qū)動得到的可用的所有柵極電流通過電容CGD放電,這將加快漏源電壓變化。而漏極電流幾乎不變,這是由于此刻它受外部電路(即直流電流源)限制。
    最后一個階段MOSFET溝道增強,處于完全導(dǎo)通狀態(tài),這得益于柵極的電壓已經(jīng)足夠高。最終的VGS電壓幅度將決定器件最終導(dǎo)通阻抗。因此,在第四個階段,電壓VGS從Miller平坦區(qū)增大到其最大值VDRV。
    這由于電容CGS和CGD的充電完成,因此柵極電流被分成這兩部分。在這兩個電容充電過程中,漏極電流保持不變,漏源電壓也隨著導(dǎo)通阻抗的減小而慢慢的減小。
    關(guān)斷過程
    MOSFET的關(guān)斷過程恰好和它的導(dǎo)通過程相反。電壓VGS從圖3的VDRV開 始,電流從圖3的最大負(fù)載電流IDC開始。漏源電壓由MOSFET的電流IDC和導(dǎo)通阻抗決定。圖5完整的顯示了關(guān)斷的四個階段。
    高速MOS驅(qū)動應(yīng)用
    第一個階段是關(guān)斷延遲,這階段需要電容CISS從最初值電壓放電到Miller平坦區(qū)水平。這期間柵極電流由電容CISS提供,而且它流入MOSFET的電容CGS和CGD。器件的漏極電壓隨著過載電壓的減小而略微的增大。此階段漏極電流幾乎不變。
    在第二個階段,管子的漏源電壓從IDC·RDS(On)增加到最終值(VDS(off)),由圖3的原理圖可知它是由整流二極管強制決定的。在這一階段,即相當(dāng)于柵極電壓波形的Miller平坦區(qū),柵極電流完全是電容CGD的充電電流因為柵源電壓是不變的。這個電流由電源級的旁路電容提供而且它是從漏極電流減掉的。總的漏極電流仍然等于負(fù)載電流,也就是圖3直流電源表示的感應(yīng)電流。
    二極管的導(dǎo)通預(yù)示著第三個階段的開始,二極管給負(fù)載電流提供另一通路。 柵極電壓從VGS,Miller降到Vth。大部分的柵極電流來自于電容CGS,因為事實上電容CGD在前一個階段是充滿電的。
    MOSFET處于線性工作區(qū),而且柵源電壓的降低將會導(dǎo)致漏極電流的減小,在這個階段的最后漏極電流幾乎達(dá)到0。與此同時,由于整流二極管的正向偏置漏極電壓將維持在VDS(off)。
    截止過程的最后一個階段是器件的輸入電容完全放電。電壓VGS進(jìn)一步減小到0。占柵極電流較大比例部分的電流,和截止過程的第三階段一樣,由電容CGS提供。器件的漏極電流和漏極電壓保持不變。
    綜合上述結(jié)論,可以總結(jié)為:在四個階段(無論是導(dǎo)通還是關(guān)斷)里,場效應(yīng)晶體管可在最大阻抗和最小阻抗間變換。四個階段的時間是寄生電容、所需電壓變化、柵極驅(qū)動電流的函數(shù)。這就突出了在高速、高頻開關(guān)應(yīng)用設(shè)計中器件選擇部分和柵極最適合工作條件的重要性。
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