功率場(chǎng)效應(yīng)管在PDP驅(qū)動(dòng)電路中的應(yīng)用

功率場(chǎng)效應(yīng)管在PDP驅(qū)動(dòng)電路中的應(yīng)用

康佳集團(tuán)梁寧2004年11月15日

等離子電視（PDP）是利用惰性氣體放電產(chǎn)生的真空紫外線(xiàn)VUV，激發(fā)低能熒光粉發(fā)光來(lái)實(shí)現(xiàn)彩色圖像顯示的。PDP工作需要驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生高壓脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)屏體電極。PDP驅(qū)動(dòng)電路中存在大量的功率開(kāi)關(guān)器件，并要求功率開(kāi)關(guān)器件有極快的開(kāi)關(guān)速度（包括由導(dǎo)通轉(zhuǎn)向截止的過(guò)渡時(shí)間Toff，和由截止轉(zhuǎn)向?qū)ǖ倪^(guò)渡時(shí)間Ton），以及大電流、高耐壓的要求。

0V176V350V-70VPDP部分高壓驅(qū)動(dòng)波形場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）由于具有如下優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于PDP驅(qū)動(dòng)電路中，這些優(yōu)點(diǎn)主要是：（1）場(chǎng)效應(yīng)管是多數(shù)載流子導(dǎo)電，不存在少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)，從而有較高的開(kāi)關(guān)速度。（2）具有較寬的安全工作區(qū)而不會(huì)產(chǎn)生熱點(diǎn)和二次擊穿，同時(shí)它具有正的溫度系數(shù)，容易并聯(lián)使用，可以解決大電流問(wèn)題。（3）具有較高的開(kāi)啟電壓，即閾值電壓，因此具有較高的噪聲容限和抗干擾能力，給電路設(shè)計(jì)和調(diào)試帶來(lái)很大的方便。（4）由于它是電壓控制器件，具有很高的輸入阻抗，因此驅(qū)動(dòng)功率小，而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單?？梢?jiàn)，這些優(yōu)點(diǎn)是雙極晶體管不具備的。

PDP驅(qū)動(dòng)電路是一種高壓開(kāi)關(guān)電路，電壓幅值負(fù)幾十伏到正幾百伏左右，工作頻率100~233kHz，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)選型對(duì)PDP的畫(huà)面質(zhì)量尤為重要。在基于“開(kāi)關(guān)”的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)完成后，需要解決兩個(gè)問(wèn)題：一是選擇合適的MOS管替代驅(qū)動(dòng)電路中的“開(kāi)關(guān)”，二是進(jìn)行MOS管的柵極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。K1Us基于“開(kāi)關(guān)”的電路基于“MOS管”的電路UsK2K3M1M2M3M4說(shuō)明：K3是“雙向”開(kāi)關(guān)，用2只N型MOS管實(shí)現(xiàn)。另外，PDP驅(qū)動(dòng)電路中，大多選用性?xún)r(jià)比高的N型MOS管。

MOS管的選型就是選擇參數(shù)合適的MOS管，使驅(qū)動(dòng)電路能夠高效率、穩(wěn)定地工作，且壽命滿(mǎn)足要求。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是要求MOS管的過(guò)渡過(guò)程要足夠快，以便減少開(kāi)關(guān)損耗；導(dǎo)通電阻足夠小，以便減少導(dǎo)通損耗；關(guān)斷電阻足夠大，以便提高隔離作用，同時(shí)兼顧成本因素。一、MOS管的選型（1）耐壓BVdss(V)

（2）最大直流漏電流Id(A)（3）漏源導(dǎo)通電阻Rds(on)(Ω或mΩ)（4）漏極功耗Pd(W)（5）輸入電容Ciss(pF)（6）上升時(shí)間tr(ns)導(dǎo)通時(shí)間ton(ns)下降時(shí)間tf(ns)關(guān)斷時(shí)間toff(ns)反向恢復(fù)時(shí)間trr(ns)（7）柵極總電荷Qg(nC)（8）溝道溫度Tch（℃）結(jié)溫度Tj（℃）（9）微分電壓dv/dt(V/ns)（10）熱阻Rthck(K/W)

MOS管的參數(shù)很多，達(dá)幾十個(gè)，下面給出了一些設(shè)計(jì)中要重點(diǎn)考慮的參數(shù)，括號(hào)內(nèi)為常用單位：在PDP驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，在Vdss、Id、Pd等滿(mǎn)足要求的前提下，Rds(on)、trr、Ciss、Qg參數(shù)要認(rèn)真考慮，Rds(on)為導(dǎo)通電阻，低的導(dǎo)通電阻有助于減少導(dǎo)通損耗，特別是與“能量回收電路”相關(guān)的MOS管（圖中的M1、M2、M3、M4），低的導(dǎo)通電阻有助于提高能量回收的效率，降低PDP的功耗。UsM1M2M3M4LXCsCp

trr、Ciss、Qg參數(shù)影響MOS管的開(kāi)關(guān)速度，低的參數(shù)值能夠加快MOS管的轉(zhuǎn)換過(guò)程，有助于減少M(fèi)OS管的開(kāi)關(guān)損耗。另外，低的Ciss和Qg參數(shù)，能夠減少M(fèi)OS管柵極的驅(qū)動(dòng)功率，簡(jiǎn)化柵極驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。

MOS管存在兩種轉(zhuǎn)換過(guò)程：一是導(dǎo)通轉(zhuǎn)換過(guò)程，二是關(guān)斷轉(zhuǎn)換過(guò)程。右圖為MOS管導(dǎo)通轉(zhuǎn)換過(guò)程的示意圖，導(dǎo)通轉(zhuǎn)換過(guò)程分為4個(gè)區(qū)間，Vgs－t曲線(xiàn)是單調(diào)遞增的，對(duì)應(yīng)于MOS管柵極電容的充電過(guò)程，區(qū)間Ⅲ的平臺(tái)是由于MOS管的密勒電容引起的?？梢钥闯?，區(qū)間Ⅱ和Ⅲ的電壓與電流重疊，是MOS管導(dǎo)通過(guò)程功耗最大的區(qū)域。ⅠⅡⅢⅣIdVdstⅠⅡⅢⅣVgstVth二、MOS管的柵極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。(a)導(dǎo)通過(guò)程，柵極電壓Vgs-t曲線(xiàn)

(b)導(dǎo)通過(guò)程，漏源電壓Vds與漏極電流Id的變化關(guān)斷轉(zhuǎn)換過(guò)程也分為4個(gè)區(qū)間，Vgs－t曲線(xiàn)是單調(diào)遞減的，對(duì)應(yīng)于MOS管柵極電容的放電過(guò)程，區(qū)間Ⅱ的平臺(tái)也是由于MOS管的密勒電容引起的?？梢钥闯?，區(qū)間Ⅱ和Ⅲ的電壓與電流重疊，是MOS管關(guān)斷過(guò)程功耗最大的區(qū)域。(c)關(guān)斷過(guò)程，柵極電壓Vgs-t曲線(xiàn)

(d)關(guān)斷過(guò)程，漏源電壓Vds與漏極電流Id的變化ⅠⅡⅢⅣIdVdstⅠⅡⅢⅣtVgsVth通過(guò)以上對(duì)MOS管轉(zhuǎn)換過(guò)程的分析，得出對(duì)MOS管柵極驅(qū)動(dòng)電路的要求：（1）柵極驅(qū)動(dòng)電路的延遲時(shí)間要小，有助于減少柵壓Vgs的上升時(shí)間。（2）柵極驅(qū)動(dòng)電路的輸出峰值電流要大，大的峰值電流可以大大縮短密勒電容的充放電時(shí)間，從而縮短平臺(tái)的持續(xù)時(shí)間。（3）柵極驅(qū)動(dòng)電壓的變化率dv/dt要大，以便縮短?hào)艍篤gs的上升或下降時(shí)間。滿(mǎn)足上述要求的柵極驅(qū)動(dòng)電路，能夠加快MOS管的轉(zhuǎn)換過(guò)程，減少電壓Vds與電流Id的重疊區(qū)域，有助于減少M(fèi)OS管的開(kāi)關(guān)損耗。也就是說(shuō)，柵極驅(qū)動(dòng)電路是影響MOS開(kāi)關(guān)損耗的外界因素，而性能優(yōu)良的MOS是獲得低開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗的內(nèi)在因素。理想的柵極驅(qū)動(dòng)器是高速開(kāi)關(guān)和高峰值電流兩者的結(jié)合，而高性能的MOS管，能夠減少對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)器的要求，簡(jiǎn)化柵極驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，優(yōu)良的柵極驅(qū)動(dòng)電路與高性能的MOS管相結(jié)合，才能制作出高性能的PDP驅(qū)動(dòng)電路。目前，柵極驅(qū)動(dòng)電路有現(xiàn)成的專(zhuān)用IC（柵極驅(qū)動(dòng)器），如IR產(chǎn)的IR2110S、IXYS產(chǎn)的IX6R11S3等。

IR2110是一種高耐壓、高速率的雙通道MOS管柵極驅(qū)動(dòng)器，對(duì)MOS管驅(qū)動(dòng)時(shí)外圍電路十分簡(jiǎn)單，其典型應(yīng)用電路如圖所示。Us

IR2110S的峰值輸出電流為2安，對(duì)于需要更大峰值輸出電流的場(chǎng)合，可以在IR2110S與MOS管之間加一級(jí)功率驅(qū)動(dòng)，功率驅(qū)動(dòng)使用1只或2只中功率雙極晶體管作電流放大。另外，也可采用IX6R11S3，它也是一種高耐壓、高速率的雙通道MOS管柵極驅(qū)動(dòng)器，其峰值輸出電流達(dá)6安，是IR2110S的3倍，當(dāng)然其價(jià)格也比IR2110S高得多。

IR2110S和IX6R11S3都有一個(gè)限制，就是浮動(dòng)通道的地VS相對(duì)于VB不能為負(fù)高壓，而在PDP驅(qū)動(dòng)電路中存在負(fù)高壓的場(chǎng)合，這時(shí)，需要對(duì)IR2110S進(jìn)行隔離。與負(fù)高壓連接的MOS管，其柵極驅(qū)動(dòng)電路可采用光耦進(jìn)行設(shè)計(jì)。光耦的輸出峰值電流一般較小(0.4A)，需加入一級(jí)功率驅(qū)動(dòng)。隨著PDP尺寸的增加，PDP驅(qū)動(dòng)電路的輸出功率也增加，對(duì)MOS管的漏極電流Id的要求超過(guò)100A，要達(dá)到這樣的輸出能力，需要多只MOS管并聯(lián)使用，以提高PDP驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電流和驅(qū)動(dòng)功率。由于MOS管是電壓控制型器件，多只MOS管并聯(lián)使用時(shí)，其柵極驅(qū)動(dòng)電路幾乎不用改變。介紹兩種基本的PDP驅(qū)動(dòng)電路基本的方波產(chǎn)生電路。Vs0VVo過(guò)渡期S1VsS2M2M1VoR1R2D2D1S1S2基本的斜波產(chǎn)生電路。D3R2R3VsM3D5D1D2M4C1R4D6VoVo0VVst1t2t3S3t0t4S3S4S4R1D4過(guò)渡期最后，對(duì)MOS管及柵極驅(qū)動(dòng)器在PDP驅(qū)動(dòng)電路中的應(yīng)用作一些總結(jié)：（1）在Vdss、Id、Pd等參數(shù)滿(mǎn)足要求的前提下，Rds(on)、trr、Ciss、Qg等參數(shù)對(duì)減少M(fèi)OS管的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗至關(guān)重要。（2）柵極驅(qū)動(dòng)器起著電平轉(zhuǎn)換和隔離作用，柵極驅(qū)動(dòng)電路至少能提供2A以上的峰值輸出電流，還要有高速的電壓變化率（dv/dt）?？导言赑DP驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，大部分MOS管為IXYS生產(chǎn)的功率MOS管，關(guān)鍵的MOS管選用PloarHT

技術(shù)生產(chǎn)的MOS管，它是IXYS公司最新推出的場(chǎng)效應(yīng)管,IXYS以其專(zhuān)