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第第頁(yè)MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用設(shè)計(jì)
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1、驅(qū)動(dòng)MOSFET
1.1、柵極驅(qū)動(dòng)與基極驅(qū)動(dòng)
常規(guī)的雙極(晶體管)是(電流)(驅(qū)動(dòng)器)件,而MOSFET是電壓驅(qū)動(dòng)器件。
圖1.1所示為雙極晶體管。要在集電極中產(chǎn)生電流,必須在基極(端子)和發(fā)射極端子之間施加電流。圖1.2所示為MOSFET,在柵極端子和源極端子之間施加電壓時(shí),MOSFET在漏極中產(chǎn)生電流。
MOSFET的柵極是一層二氧化硅。由于該柵極與源極隔離,向柵極端子施加直流電壓理論上不會(huì)在柵極中產(chǎn)生電流(在柵極充電和放電的瞬態(tài)產(chǎn)生的電流除外)。實(shí)踐中,柵極中會(huì)產(chǎn)生幾納安的微弱電流。當(dāng)柵極端子和源極端子之間無(wú)電壓時(shí),由于漏源極阻抗極高,因此漏極中除泄漏電流之外無(wú)電流。
1.2.MOSFET的特點(diǎn)
MOSFET有以下特點(diǎn):
a、由于MOSFET是電壓驅(qū)動(dòng)器件,因此無(wú)直流電流流入柵極。
b、要開通MOSFET,必須對(duì)柵極施加高于額定柵極(閾值電壓)Vth的電壓。
c、處于穩(wěn)態(tài)開啟或關(guān)斷狀態(tài)時(shí),MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)基本無(wú)功耗。
d、通過(guò)驅(qū)動(dòng)器輸出看到的MOSFET柵源(電容)根據(jù)其內(nèi)部狀態(tài)而有所不同。
MOSFET通常被用作頻率范圍從幾kHz到幾百kHz的開關(guān)器件。柵極驅(qū)動(dòng)所需的功耗較低是MOSFET作為開關(guān)器件的優(yōu)勢(shì)。此外也提供專為低電壓驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的MOSFET。
1.2.1.
柵極電荷
可將MOSFET的柵極視為電容。圖1.3所示為MOSFET中的不同電容。除非對(duì)柵極輸入電容充電,否則MOSFET的柵極電壓不會(huì)增大,而且在柵極電壓達(dá)到柵極閾值電壓Vth之前,MOSFET不會(huì)開通。MOSFET的柵極閾值電壓Vth是在其源極和漏極區(qū)域之間產(chǎn)生傳導(dǎo)通道所需的最小柵偏壓。
考慮(驅(qū)動(dòng)電路)和驅(qū)動(dòng)電流時(shí),MOSFET的柵極電荷Qg比其電容更加重要。圖1.4所示為增加?xùn)艠O電壓所需的柵極電荷的參數(shù)定義。
1.2.2.
計(jì)算MOSFET柵極電荷
MOSFET開啟期間,電流流到其柵極,對(duì)柵源電容和柵漏電容充電。圖1.5顯示了柵極電荷的測(cè)試電路。圖1.6顯示了對(duì)柵極端子施加恒定電流時(shí)獲得的柵源電壓隨時(shí)間變化的曲線。由于柵電流恒定,可將時(shí)間乘以恒定柵電流IG,以柵極電荷Qg表示時(shí)間軸。(柵極電荷的計(jì)算公式是Qg=IG×t。)
1.2.3.
柵極充(電機(jī))理
對(duì)MOSFET施加電壓時(shí),其柵極開始積累電荷。圖1.7所示為柵極充電電路和柵極充電波形。將MOSFET連接到電感負(fù)載時(shí),它會(huì)影響與MOSFET并聯(lián)的(二極管)中的反向恢復(fù)電流以及MOSFET柵極電壓。此處不作解釋。
a、在t0-t1時(shí)間段內(nèi),柵極驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)柵極串聯(lián)(電阻器)R對(duì)柵源電容Cgs和柵漏電容Cgd充電,直到柵極電壓達(dá)到其閾值Vth。由于Cgs和Cgd是并聯(lián)充電,因此滿足以下公式。
b、在t1-t2期間,VGS超過(guò)Vth,導(dǎo)致漏極中產(chǎn)生電流,最終成為主電流。在此期間,繼續(xù)對(duì)Cgs和Cg充電。柵極電壓上升時(shí),漏極電流增大。在t2,柵極電壓達(dá)到米勒電壓,在公式(1)中用VGS(pl)代替VGS(t2),可計(jì)算出VGS(pl).t2。在t0-t1期間,延遲時(shí)間t2和R(Cgs+Cgd)成正比。
c、在t2-t3期間,VGS(pl)電壓處的VGS受米勒效應(yīng)影響保持恒定。柵極電壓保持恒定。在整個(gè)主柵電流流過(guò)MOSFET時(shí),漏極電壓在t3達(dá)到其導(dǎo)通電壓(RDS(ON)×ID)。由于在此期間柵極電壓保持恒定,因此驅(qū)動(dòng)電流流向Cgd而非Cgs。在此期間Cgd(Qdg)中積累的電荷數(shù)等于流向柵電路的電流與電壓下降時(shí)間(t3-t2)的乘積:
d、在t3-t4期間,向柵極充電使其達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)。對(duì)Cgs和Cgd充電,直到柵極電壓(VGS)達(dá)到柵極(供電)電壓。由于開通瞬態(tài)已經(jīng)消失,在此期間MOSFET不會(huì)出現(xiàn)開關(guān)損耗。
1.3.柵極驅(qū)動(dòng)功率
MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電路消耗的功率隨著其頻率而成比例地增大。本節(jié)介紹了柵極驅(qū)動(dòng)電路(圖1.8中所示)的功耗。
在圖1.8中,通過(guò)柵極(電阻)器R1在MOSFET的柵極端子和源極端子之間施加了柵極脈沖電壓VG。假設(shè)VGS從0V升高至VG(圖1.9為的10V)。VG足以開通MOSFET。MOSFET一開始處于關(guān)斷狀態(tài),在VGS從0V升高至VG時(shí)開通。在此瞬態(tài)開關(guān)期間流過(guò)的柵電流計(jì)算如下:
從驅(qū)動(dòng)電源供應(yīng)的能量減去在柵極中積累的能量可以得出柵極電阻器消耗的能量。
關(guān)斷期間,在柵極中積累的能量就是柵極電阻器消耗的能量。
每個(gè)開關(guān)事件消耗的能量E等于驅(qū)動(dòng)電路供應(yīng)的能量。將E乘以開關(guān)頻率fsw,可計(jì)算出柵極驅(qū)動(dòng)電路PG的平均功耗:
柵極驅(qū)動(dòng)電路的平均功耗Pg也可以用輸入電容表示為:
但這樣計(jì)算得出的PG值和實(shí)際功率損耗有很大出入。這是因?yàn)镃ISS包括具有米勒電容的柵漏電容CGD,因此是VDS的函數(shù),且柵源電容CGS是VGS的函數(shù)。
2、MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電路示例
MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的基本要求包括能夠向柵極施加明顯高于Vth的電壓,并有為輸入電容完全充電的驅(qū)動(dòng)能力。本節(jié)說(shuō)明了N通道MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路示例。
2.1、基本驅(qū)動(dòng)電路
圖2.1所示為MOS
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