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高速MOS驱动电路设计和应用指南 

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第一个阶段是关断延迟,这阶段需要电容CISS从最初值电压放电到Miller平坦区水平。这期间栅极电流由电容CISS提供,而且它流入MOSFET的电容CGS和CGD。器件的漏极电压随着过载电压的减小而略微的增大。此阶段漏极电流几乎不变。

在第二个阶段,管子的漏源电压从IDC·RDS(On)增加到最终值(VDS(off)),由图3的原理图可知它是由整流二极管强制决定的。在这一阶段,即相当于栅极电压波形的Miller平坦区,栅极电流完全是电容CGD的充电电流因为栅源电压是不变的。这个电流由电源级的旁路电容提供而且它是从漏极电流减掉的。总的漏极电

流仍然等于负载电流,也就是图3直流电源表示的感应电流。

二极管的导通预示着第三个阶段的开始,二极管给负载电流提供另一通路。

栅极电压从VGS,Miller降到Vth。大部分的栅极电流来自于电容CGS,因为事实上电容CGD在前一个阶段是充满电的。MOSFET处于线性工作区,而且栅源电压的降低将会导致漏极电流的减小,在这个阶段的最后漏极电流几乎达到0。与此同时,由于整流二极管的正向偏置漏极电压将维持在VDS(off)。

截止过程的最后一个阶段是器件的输入电容完全放电。电压VGS进一步减小

到0。占栅极电流较大比例部分的电流,和截止过程的第三阶段一样,由电容CGS提供。器件的漏极电流和漏极电压保持不变。

综合上述结论,可以总结为:在四个阶段(无论是导通还是关断)里,场效

应晶体管可在最大阻抗和最小阻抗间变换。四个阶段的时间是寄生电容、所需电压变化、栅极驱动电流的函数。这就突出了在高速、高频开关应用设计中器件选择部分和栅极最适合工作条件的重要性。

MOSFET典型的开启延迟时间、关断延迟时间、上升沿时间、下降沿时间会

在资料表中列出。不幸的是,这些数据适用于特殊的测试条件而对于有阻抗的负载,不同厂家的产品使得比较变得困难。而且,实际开关应用中呈感性的负载的数据和资料表上给的又是有很大差别。

功率损耗

MOSFET在电源应用中作为开关用时将会导致一些不可避免的损耗,这些损

耗可以分为两类。

这两类中较为简单的是器件栅极驱动损耗。如前所述,MOSFET的导通和截

止过程包括电容CISS的充电和放电。当电容上的电压发生变化时,一定量的电荷就会发生转移。需要一定量的电荷使栅极电压在0和VDRV之间变化,这在资料表中的栅极电压----电荷曲线表现出来。图6(Figure6)是一个示例。

这个图表曲线给出了一个栅极电荷与栅极驱动电压成函数关系的在最恶劣条件下相对精确的估计。常用来生成这些曲线的参数是器件漏源截止电压。VDS(off)影响Miller电荷(曲线中平坦曲线下面部分),也即,在整个开关周期中所需的总电荷。在图6中一旦得到了栅极总电荷,那么栅极电荷损耗就可用下面公式计算:

式中VDRV是栅极驱动波形的幅度,fDRV是栅极驱动的频率(这个频率通常情况等于开关频率)。值得注意在这个公式中的QG·fDRV项,它给出了驱动栅极所需的平均偏置电流。驱动MOSFET的栅极损耗在了栅极的驱动电路上。参看图4和图5,损耗部分可被认为是栅极驱动回路中一系列的电阻的组合。在每个开关循环中,所需要的电荷必须流经输出驱动阻抗、外部栅极电阻和内部栅极网格阻抗。这样的结果是,功率损耗并不取决于电荷流经阻抗元件的快慢。使用图4和图5的指定电阻,驱动功率损耗可表示为:

在上面的方程式中,栅极驱动电路用有阻抗的输出代替,但这个假设对于金属半导体的栅极驱动是无效的。当双极性晶体管在栅极电路驱动中被用到时,输出阻抗变为非线性的,而且公式将得不到正确的结果。为保险起见,假定栅极阻抗很小(<5?)而且大部分损耗浪费在驱动电路中。假如Rgate足够大,足以使IG低于驱动双极型的能力,那么绝大部分的栅极功率损耗浪费在Rgate上。

除了栅极驱动功率损耗外,还有由于大电流和大电压在较短的时间内同时出

现造成的传统意义上的开关损耗。为了保证开关损耗最小,这个持续的时间间隔必须尽量的小。观察MOSFET的导通和截止过程,应该减小开关过程中第2和第3个阶段的时间(无论是导通过程还是截止过程)。这个间隔是MOSFET的线性工作区间,此刻栅极电压介于VTH和VGS,Miller。漏极电压在开关间转换时,将会引起器件电流变化而且到达Miller平坦区。

在高速门驱动电路设计中领悟这点是十分重要的。它强调突出这样的事实:

门驱动最主要的特性就是它在Miller平坦区电压附近的拉电流和灌电流能力。峰值电流能力,是在有输出阻抗时最大电压VDRV条件下测得的,和MOSFET的实际开关性能有很少联系。真正决定器件开关时间的是在栅源电压,也就是,在输出为5V的情况下(MOSFET的逻辑电平是2.5V)时栅极驱动电流的能力。

MOSFET的开关损耗的粗略估计可使用在开关期间第2和第3个阶段关于门

驱动电流、漏极驱动电流、漏极驱动电压的简单线性近似。首先必须确定门驱动电流,分别为第2和第三阶段作准备:

假设IG2为器件的输入电容充电电流,在电压从VTH变到VGS,Miller;IG3是电容CRSS的放电电流,在漏极电压从VDS(off)变到0时,大致的开关时间为:

在t2时间内,漏极电压是VDS(off),电流从0倾斜的变化到负载电流IL,而在t3时间内漏极电压从VDS(off)变到0。再次使用波形的线性近似,各自时间内的功率损耗近似为:

式中的T是开关周期。总的开关损耗是两部分的和,由此可得出下列表达式:

即使较好的理解了开关的过程,但是要精确的计算开关损耗几乎是不可能的。原因是寄生感性分量将会显著的影响电流和电压波形,也会影响开关过程的开关时间。考虑到实际电路中不同的漏极和源极感应的影响,将会导出一个二阶微分方程来描述电路中的实际波形。由于那些变量,包括开启电压、MOSFET电容值、驱动输出部分等等,有很大的误差,上述的线性近似对于MOSFET开关损耗的估算是可行的,是比较合理的。

高速MOS驱动电路设计和应用指南 

第一个阶段是关断延迟,这阶段需要电容CISS从最初值电压放电到Miller平坦区水平。这期间栅极电流由电容CISS提供,而且它流入MOSFET的电容CGS和CGD。器件的漏极电压随着过载电压的减小而略微的增大。此阶段漏极电流几乎不变。在第二个阶段,管子的漏源电压从IDC·RDS(On)增加到最终值(VDS(off)),由图3的原理图可知它是由整流二极管强制决定
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