功率場效應管在PDP驅(qū)動電路中的應用

功率場效應管在PDP驅(qū)動電路中的應用

康佳集團梁寧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VUV，激發(fā)低能熒光粉發(fā)光來實現(xiàn)彩色圖像顯示的。PDP工作需要驅(qū)動電路產(chǎn)生高壓脈沖來驅(qū)動屏體電極。PDP驅(qū)動電路中存在大量的功率開關器件，并要求功率開關器件有極快的開關速度（包括由導通轉(zhuǎn)向截止的過渡時間Toff，和由截止轉(zhuǎn)向?qū)ǖ倪^渡時間Ton），以及大電流、高耐壓的要求。

0V176V350V-70VPDP部分高壓驅(qū)動波形場效應管（MOSFET）由于具有如下優(yōu)點而廣泛應用于PDP驅(qū)動電路中，這些優(yōu)點主要是：（1）場效應管是多數(shù)載流子導電，不存在少數(shù)載流子的存儲效應，從而有較高的開關速度。（2）具有較寬的安全工作區(qū)而不會產(chǎn)生熱點和二次擊穿，同時它具有正的溫度系數(shù)，容易并聯(lián)使用，可以解決大電流問題。（3）具有較高的開啟電壓，即閾值電壓，因此具有較高的噪聲容限和抗干擾能力，給電路設計和調(diào)試帶來很大的方便。（4）由于它是電壓控制器件，具有很高的輸入阻抗，因此驅(qū)動功率小，而且驅(qū)動電路簡單。可見，這些優(yōu)點是雙極晶體管不具備的。

PDP驅(qū)動電路是一種高壓開關電路，電壓幅值負幾十伏到正幾百伏左右，工作頻率100~233kHz，驅(qū)動電路的設計選型對PDP的畫面質(zhì)量尤為重要。在基于“開關”的驅(qū)動電路設計完成后，需要解決兩個問題：一是選擇合適的MOS管替代驅(qū)動電路中的“開關”，二是進行MOS管的柵極驅(qū)動電路設計。K1Us基于“開關”的電路基于“MOS管”的電路UsK2K3M1M2M3M4說明：K3是“雙向”開關，用2只N型MOS管實現(xiàn)。另外，PDP驅(qū)動電路中，大多選用性價比高的N型MOS管。

MOS管的選型就是選擇參數(shù)合適的MOS管，使驅(qū)動電路能夠高效率、穩(wěn)定地工作，且壽命滿足要求。簡單地說，就是要求MOS管的過渡過程要足夠快，以便減少開關損耗；導通電阻足夠小，以便減少導通損耗；關斷電阻足夠大，以便提高隔離作用，同時兼顧成本因素。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）上升時間tr(ns)導通時間ton(ns)下降時間tf(ns)關斷時間toff(ns)反向恢復時間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，達幾十個，下面給出了一些設計中要重點考慮的參數(shù)，括號內(nèi)為常用單位：在PDP驅(qū)動電路設計中，在Vdss、Id、Pd等滿足要求的前提下，Rds(on)、trr、Ciss、Qg參數(shù)要認真考慮，Rds(on)為導通電阻，低的導通電阻有助于減少導通損耗，特別是與“能量回收電路”相關的MOS管（圖中的M1、M2、M3、M4），低的導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管的開關速度，低的參數(shù)值能夠加快MOS管的轉(zhuǎn)換過程，有助于減少MOS管的開關損耗。另外，低的Ciss和Qg參數(shù)，能夠減少MOS管柵極的驅(qū)動功率，簡化柵極驅(qū)動電路的設計。

MOS管存在兩種轉(zhuǎn)換過程：一是導通轉(zhuǎn)換過程，二是關斷轉(zhuǎn)換過程。右圖為MOS管導通轉(zhuǎn)換過程的示意圖，導通轉(zhuǎn)換過程分為4個區(qū)間，Vgs－t曲線是單調(diào)遞增的，對應于MOS管柵極電容的充電過程，區(qū)間Ⅲ的平臺是由于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管導通過程功耗最大的區(qū)域。ⅠⅡⅢⅣIdVdstⅠⅡⅢⅣVgstVth二、MOS管的柵極驅(qū)動電路設計。(a)導通過程，柵極電壓Vgs-t曲線

(b)導通過程，漏源電壓Vds與漏極電流Id的變化關斷轉(zhuǎn)換過程也分為4個區(qū)間，Vgs－t曲線是單調(diào)遞減的，對應于MOS管柵極電容的放電過程，區(qū)間Ⅱ的平臺也是由于MOS管的密勒電容引起的。可以看出，區(qū)間Ⅱ和Ⅲ的電壓與電流重疊，是MOS管關斷過程功耗最大的區(qū)域。(c)關斷過程，柵極電壓Vgs-t曲線

(d)關斷過程，漏源電壓Vds與漏極電流Id的變化ⅠⅡⅢⅣIdVdstⅠⅡⅢⅣtVgsVth通過以上對MOS管轉(zhuǎn)換過程的分析，得出對MOS管柵極驅(qū)動電路的要求：（1）柵極驅(qū)動電路的延遲時間要小，有助于減少柵壓Vgs的上升時間。（2）柵極驅(qū)動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間，從而縮短平臺的持續(xù)時間。（3）柵極驅(qū)動電壓的變化率dv/dt要大，以便縮短柵壓Vgs的上升或下降時間。滿足上述要求的柵極驅(qū)動電路，能夠加快MOS管的轉(zhuǎn)換過程，減少電壓Vds與電流Id的重疊區(qū)域，有助于減少MOS管的開關損耗。也就是說，柵極驅(qū)動電路是影響MOS開關損耗的外界因素，而性能優(yōu)良的MOS是獲得低開關損耗和導通損耗的內(nèi)在因素。理想的柵極驅(qū)動器是高速開關和高峰值電流兩者的結(jié)合，而高性能的MOS管，能夠減少對柵極驅(qū)動器的要求，簡化柵極驅(qū)動電路的設計，優(yōu)良的柵極驅(qū)動電路與高性能的MOS管相結(jié)合，才能制作出高性能的PDP驅(qū)動電路。目前，柵極驅(qū)動電路有現(xiàn)成的專用IC（柵極驅(qū)動器），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)動器，對MOS管驅(qū)動時外圍電路十分簡單，其典型應用電路如圖所示。Us

IR2110S的峰值輸出電流為2安，對于需要更大峰值輸出電流的場合，可以在IR2110S與MOS管之間加一級功率驅(qū)動，功率驅(qū)動使用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)動器，其峰值輸出電流達6安，是IR2110S的3倍，當然其價格也比IR2110S高得多。

IR2110S和IX6R11S3都有一個限制，就是浮動通道的地VS相對于VB不能為負高壓，而在PDP驅(qū)動電路中存在負高壓的場合，這時，需要對IR2110S進行隔離。與負高壓連接的MOS管，其柵極驅(qū)動電路可采用光耦進行設計。光耦的輸出峰值電流一般較小(0.4A)，需加入一級功率驅(qū)動。隨著PDP尺寸的增加，PDP驅(qū)動電路的輸出功率也增加，對MOS管的漏極電流Id的要求超過100A，要達到這樣的輸出能力，需要多只MOS管并聯(lián)使用，以提高PDP驅(qū)動電路的驅(qū)動電流和驅(qū)動功率。由于MOS管是電壓控制型器件，多只MOS管并聯(lián)使用時，其柵極驅(qū)動電路幾乎不用改變。介紹兩種基本的PDP驅(qū)動電路基本的方波產(chǎn)生電路。Vs0VVo過渡期S1VsS2M2M1VoR1R2D2D1S1S2基本的斜波產(chǎn)生電路。D3R2R3VsM3D5D1D2M4C1R4D6VoVo0VVst1t2t3S3t0t4S3S4S4R1D4過渡期最后，對MOS管及柵極驅(qū)動器在PDP驅(qū)動電路中的應用作一些總結(jié)：（1）在Vdss、Id、Pd等參數(shù)滿足要求的前提下，Rds(on)、trr、Ciss、Qg等參數(shù)對減少MOS管的導通損耗和開關損耗至關重要。（2）柵極驅(qū)動器起著電平轉(zhuǎn)換和隔離作用，柵極驅(qū)動電路至少能提供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)動電路設計中，大部分MOS管為IXYS生產(chǎn)的功率MOS管，關鍵的MOS管選用PloarHT

技術生產(chǎn)的MOS管，它是IXYS公司最新推出的場效應管,IXYS以其專