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  • 解析MOSFET柵極應(yīng)用電路作用-柵極電壓對MOS管的影響
    • 發(fā)布時間:2019-11-23 14:43:55
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    MOSFET柵極應(yīng)用電路
    MOSFET柵極
    在看MOSFET柵極應(yīng)用電路前,我們了解一下MOSFET柵極根據(jù)三極管的原理開發(fā)出的新一代放大元件,有3個極性,柵極,漏極,源極,它的特點是柵極的內(nèi)阻極高,采用二氧化硅材料的可以達(dá)到幾百兆歐,屬于電壓控制型器件。場效應(yīng)晶體管(FieldEffectTransistor縮寫(FET))簡稱場效應(yīng)管。由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電,也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件。
    MOSFET柵極電壓對電流的影響
    MOSFET柵極應(yīng)用電路
    FET通過影響導(dǎo)電溝道的尺寸和形狀,控制從源到漏的電子流(或者空穴流)。溝道是由(是否)加在柵極和源極的電壓而創(chuàng)造和影響的(為了討論的簡便,這默認(rèn)體和源極是相連的)。導(dǎo)電溝道是從源極到漏極的電子流。
    耗盡模式
    在一個n溝道"耗盡模式"器件,一個負(fù)的柵源電壓將造成一個耗盡區(qū)去拓展寬度,自邊界侵占溝道,使溝道變窄。如果耗盡區(qū)擴(kuò)展至完全關(guān)閉溝道,源極和漏極之間溝道的電阻將會變得很大,F(xiàn)ET就會像開關(guān)一樣有效的關(guān)閉(如右圖所示,當(dāng)柵極電壓很低時,導(dǎo)電溝道幾乎不存在)。類似的,一個正的柵源電壓將增大溝道尺寸,而使電子更易流過(如右圖所示,當(dāng)柵極電壓足夠高時,溝道導(dǎo)通)。
    增強(qiáng)模式
    相反的,在一個n溝道"增強(qiáng)模式"器件中,一個正的柵源電壓是制造導(dǎo)電溝道所必需的,因為它不可能在晶體管中自然的存在。正電壓吸引了體中的自由移動的電子向柵極運動,形成了導(dǎo)電溝道。但是首先,充足的電子需要被吸引到柵極的附近區(qū)域去對抗加在FET中的摻雜離子;這形成了一個沒有運動載流子的被稱為耗盡區(qū)的區(qū)域,這種現(xiàn)象被稱為FET的閾值電壓。更高的柵源電壓將會吸引更多的電子通過柵極,則會制造一個從源極到漏極的導(dǎo)電溝道;這個過程叫做"反型"。
    MOSFET柵極應(yīng)用電路的作用
    1:去除電路耦合進(jìn)去的噪音,提高系統(tǒng)的可靠性。
    2:加速MOSFET的導(dǎo)通,降低導(dǎo)通損耗。
    3:加速MOSFET的關(guān)斷,降低關(guān)斷損耗。
    4:降低MOSFET DI/DT,保護(hù)MOSFET同時抑制EMI干擾。
    5:保護(hù)柵極,防止異常高壓條件下柵極擊穿。
    6:增加驅(qū)動能力,在較小的信號下,可以驅(qū)動MOSFET。
    首先說一下電源IC直接驅(qū)動,下圖是我們最常用的直接驅(qū)動方式,在這類方式中,我們由于驅(qū)動電路未做過多處理,因此我們進(jìn)行PCB  LAYOUT時要盡量進(jìn)行優(yōu)化。如縮短IC至MOSFET的柵極走線長度,增加走線寬度,盡量將Rg放置在離MOSFET柵極較進(jìn)的位置,從而達(dá)到減少寄生電感,消除噪音的目的.
    (一)直接驅(qū)動
    首先說一下電源IC直接驅(qū)動,下圖是我們最常用的直接驅(qū)動方式,在這類方式中,我們由于驅(qū)動電路未做過多處理,因此我們進(jìn)行PCB  LAYOUT時要盡量進(jìn)行優(yōu)化。如縮短IC至MOSFET的柵極走線長度,增加走線寬度,盡量將Rg放置在離MOSFET柵極較進(jìn)的位置,從而達(dá)到減少寄生電感,消除噪音的目的。
    MOSFET柵極應(yīng)用電路
    當(dāng)然另一個問題我們得考慮,那就是PWM  CONTROLLER的驅(qū)動能力,當(dāng)MOSFET較大時,IC驅(qū)動能力較小時,會出現(xiàn)驅(qū)動過慢,開關(guān)損耗過大甚至不能驅(qū)動的問題,這點我們在設(shè)計時需要注意。
    (二)IC內(nèi)部驅(qū)動能力不足時
    當(dāng)然,對于IC內(nèi)部驅(qū)動能力不足的問題我們也可以采用下面的方法來解決。
    MOSFET柵極應(yīng)用電路
    這種增加驅(qū)動能力的方式不僅增加了導(dǎo)通時間,還可以加速關(guān)斷時間,同時對控制毛刺及功率損耗由一定的效果。當(dāng)然這個我們在LAYOUT時要盡量將這兩個管子放的離MOSFET柵極較近的位置。這樣做的好處還有減少了寄生電感,提高了電路的抗干擾性。
    (三)增加MOSFET的關(guān)斷速度
    如果我們單單要增加MOSFET的關(guān)斷速度,那么我們可以采用下面的方式來進(jìn)行。
    MOSFET柵極應(yīng)用電路
    關(guān)斷電流比較大時,能使MOSFET輸入電容放電速度更快,從而降低關(guān)斷損耗。大的放電電流可以通過選擇低輸出阻抗的MOSFET或N溝道的負(fù)的截止的電壓器件來實現(xiàn),最常用的就是加加速二極管。
    柵極關(guān)斷時,電流在電阻上產(chǎn)生的壓降大于二極管導(dǎo)通壓降時,這時二極管會導(dǎo)通,從而將電阻進(jìn)行旁路,導(dǎo)通后,隨著電流的減小,二極管在電路中的作用越來越小,該電路作用會顯著的減小MOSFET關(guān)斷的延遲時間。
    當(dāng)然這個電路有一定的缺點,那就是柵極的電流仍然需要留過IC內(nèi)部的輸出驅(qū)動阻抗,這有什么辦法解決呢?下面來講講PNP加速關(guān)斷驅(qū)動電路。
    (四)PNP加速關(guān)斷驅(qū)動電路
    PNP加速關(guān)斷電路
    MOSFET柵極應(yīng)用電路
    PNP加速關(guān)斷電路是目前應(yīng)用最多的電路,在加速三級管的作用下可以實現(xiàn)瞬間的柵源短路,從而達(dá)到最短的放電時間,之所以加二極管一方面是保護(hù)三級管基極,另一方面是為導(dǎo)通電流提供回路及偏置,該電路的優(yōu)點為可以近似達(dá)到推拉的效果加速效果明顯,缺點為柵極由于經(jīng)過兩個PN節(jié),不能是柵極真正的達(dá)到0伏。
    (五)當(dāng)源極輸出為高電壓時的驅(qū)動
    當(dāng)源極輸出為高電壓的情況時,我們需要采用偏置電路達(dá)到電路工作的目的,既我們以源極為參考點,搭建偏置電路,驅(qū)動電壓在兩個電壓之間波動,驅(qū)動電壓偏差由低電壓提供,如下圖所示。
    MOSFET柵極應(yīng)用電路
    當(dāng)然,這個圖有點問題,其實問題就是“驅(qū)動電源”需要懸浮,要以MOS的源極共“地(給大家加深印象)
    下圖是正確的圖紙。供各位參考
    MOSFET柵極應(yīng)用電路
    (六)自舉逆變圖
    MOSFET柵極應(yīng)用電路
    (七)滿足隔離要求的驅(qū)動
    為了滿足安全隔離的要求或者提供高端浮動?xùn)艠O驅(qū)動經(jīng)常會采用變壓器驅(qū)動。這種驅(qū)動將驅(qū)動控制和MOSFET進(jìn)行了隔離,可以應(yīng)用到低壓及高壓電路中去,如下圖所示
    MOSFET柵極應(yīng)用電路
    變壓器驅(qū)動說白了就是隔離驅(qū)動,當(dāng)然現(xiàn)在也有專門的驅(qū)動IC可以解決,但變壓器驅(qū)動有自己的特點使得很多人一直在堅持用。
    圖中耦合電容的作用是為磁化的磁芯提供復(fù)位電壓,如果沒有這個電容,會出現(xiàn)磁飽和。
    與電容串聯(lián)的電阻的作用是為了防止占空比突然變化形成LC的震蕩,因此加這個電阻進(jìn)行緩解。
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