MOS管的驅(qū)動對其工作效果起著決定性的作用。設(shè)計師既要考慮減少開關(guān)損耗,又要求驅(qū)動波形較好即振蕩小、過沖小、EMI小。這兩方面往往是互相矛盾的,需要尋求一個平衡點,即驅(qū)動電路的優(yōu)化設(shè)計。驅(qū)動電路的優(yōu)化設(shè)計包含兩部分內(nèi)容:一是最優(yōu)的驅(qū)動電流、電壓的波形;二是最優(yōu)的驅(qū)動電壓、電流的大小。在進行驅(qū)動電路優(yōu)化設(shè)計之前,必須先清楚MOS管的模型、MOS管的開關(guān)過程、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)對驅(qū)動的影響。
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。當柵極電壓從0升到開啟電壓UGS(th)時,C4使整個柵源電容增加10%~15%。
(4)C3+C5是由一個固定大小的電介質(zhì)電容和一個可變電容構(gòu)成,當漏極電壓改變極性時,其可變電容值變得相當大。
(5)C6是隨漏極電壓變換的漏源電容。
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管的開通過程
開關(guān)管的開關(guān)模式電路如圖2所示,二極管可是外接的或MOS管固有的。開關(guān)管在開通時的二極管電壓、電流波形如圖3所示。在圖3的階段1開關(guān)管關(guān)斷,開關(guān)電流為零,此時二極管電流和電感電流相等;在階段2開關(guān)導(dǎo)通,開關(guān)電流上升,同時二極管電流下降。開關(guān)電流上升的斜率和二極管電流下降的斜率的絕對值相同,符號相反;在階段3開關(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改變,由正轉(zhuǎn)到負;在階段4,二極管從負的反向最大電流IRRM開始減小,它們斜率的絕對值相等;在階段5開關(guān)管完全開通,二極管的反向恢復(fù)完成,開關(guān)管電流等于電感電流。
圖4是存儲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電荷少時,反向電壓的斜率大,并且會產(chǎn)生有害的振動。而前置電流低則存儲電荷少,即在空載或輕載時是最壞條件。所以進行優(yōu)化驅(qū)動電路設(shè)計時應(yīng)著重考慮前置電流低的情況,即空載或輕載的情況,應(yīng)使這時二極管產(chǎn)生的振動在可接受范圍內(nèi)。
柵極電荷QG和驅(qū)動效果的關(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)動電流值與開通時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值從幾十納庫侖到一、兩百納庫侖。
柵極電荷QG包含了兩個部分: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升到門限值(約3V)所需電荷;QGD是漏極電壓下降時克服“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,也就是在這時候需要驅(qū)動尖峰電流限制,這由芯片內(nèi)部完成或外接電阻完成。實際的QG還可以略大,以減小等效RON,但是太大也無益,所以10V到12V的驅(qū)動電壓是比較合理的。這還包含一個重要的事實:需要一個高的尖峰電流以減小MOS管損耗和轉(zhuǎn)換時間。
重要是的對于IC來說,MOS管的平均電容負荷并不是MOS管的輸入電容Ciss,而是等效輸入電容Ceff(Ceff=QG/UGS),即整個0
漏極電流在QG波形的QGD階段出現(xiàn),該段漏極電壓依然很高,MOS管的損耗該段最大,并隨UDS的減小而減小。QGD的大部分用來減小UDS從關(guān)斷電壓到UGS(th)產(chǎn)生的“Miller”效應(yīng)。QG波形第三段的等效負載電容是:
優(yōu)化柵極驅(qū)動設(shè)計
在大多數(shù)的開關(guān)功率應(yīng)用電路中,當柵極被驅(qū)動,開關(guān)導(dǎo)通時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。為了解決問題可以增加?xùn)艠O驅(qū)動電流,但增加?xùn)艠O驅(qū)動上升斜率又將帶來過沖、振蕩、EMI等問題。優(yōu)化柵極驅(qū)動設(shè)計,正是在互相矛盾的要求中尋求一個平衡點,而這個平衡點就是開關(guān)導(dǎo)通時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。當然,要得到完全一樣的驅(qū)動波形是很困難的,但是可以得到一個大概的驅(qū)動電流波形,其上升時間等于理想的漏極電壓下降時間或漏極電流上升的時間,并且具有足夠的尖峰值來充電開關(guān)期間的較大等效電容。該柵極尖峰電流IP的計算是:電荷必須完全滿足開關(guān)時期的寄生電容所需。
6 應(yīng)用實例
在筆者設(shè)計的48V50A電路中采用雙晶體管正激式變換電路,其開關(guān)管采用IXFH24N50,其參數(shù)為:
根據(jù)如前所述,驅(qū)動電壓、電流的理想波形不應(yīng)該是一條直線,而應(yīng)該是如圖6所示的波形。實驗波形見圖7。
7 結(jié)論
本文詳細介紹了MOS管的電路模型、開關(guān)過程、輸入輸出電容、等效電容、電荷存儲等對MOS管驅(qū)動波形的影響,及根據(jù)這些參數(shù)對驅(qū)動波形的影響進行的驅(qū)動波形的優(yōu)化設(shè)計實例,取得了較好的實際效果。
影響MOSFET開關(guān)速度除了其本身固有Tr,Tf外,還有一個重要的參數(shù):Qg (柵極總靜電荷容量).該參數(shù)與柵極驅(qū)動電路的輸出內(nèi)阻共同構(gòu)成了一個時間參數(shù),影響著MOSFET的性能(你主板的MOSFET的柵極驅(qū)動電路就集成在IRU3055這塊PWM控制芯片內(nèi)); r6 @0 k" S/ l3 }4 u, r/ W
廠家給出的Tr,Tf值,是在柵極驅(qū)動內(nèi)阻小到可以忽略的情況下測出的,實際應(yīng)用中就不一樣了,特別是柵極驅(qū)動集成在PWM芯片中的電路,從PWM到MOSFET柵極的布線的寬度,長度,都會深刻影響MOSFET的性能.如果PWM的輸出內(nèi)阻本來就不低,加上MOS管的Qg又大,那么不論其Tr,Tf如何優(yōu)秀,都可能會大大增加上升和下降的時間
偶認為,BUCK同步變換器中,高側(cè)MOS管的Qg比RDS等其他參數(shù)更重要,另外,柵極驅(qū)動內(nèi)阻與Qg的配合也很重要,一定 程度上就是由它的充電時間決定高側(cè)MOSFET的開關(guān)速度和損耗..
看從哪個角度出發(fā)。電荷瀉放慢,說明時間常數(shù)大。時間常數(shù)是Ciss與Rgs的乘積。柵源極絕緣電阻大,說明制造工藝控制較好,材料、芯片和管殼封裝的表面雜質(zhì)少,漏電少。時間常數(shù)大,柵源極等效輸入電容也大。柵源極等效輸入電容,與管芯尺寸成正比并與管芯設(shè)計有關(guān)。通常,管芯尺寸大,Ron(導(dǎo)通電阻)小、跨導(dǎo)(增益)大。柵源極等效電容大,會增加開關(guān)時間、降低開關(guān)性能、降低工作速度、增加功率損耗。Ciss與電荷注入率成正比,可能還與外加電壓有關(guān)并具有非線性等。以上,均是在相同條件下的對比。從應(yīng)用角度出發(fā),同等價格,多數(shù)設(shè)計希望選用3個等效電容(包括Ciss)小的器件。Ciss=Cgd+Cgs,充放電時間上也有先后,先是Cgs充滿,然后是Cgd.。
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