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MOS管
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  •   發布日期: 2021-11-10  瀏覽次數: 6,721

     

    MOSFET的簡單模型
    640
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    MOSFET的一些主要參數

    ■耐壓:通常所說的VDS,或者說是擊穿電壓。那么一般MOS廠家是如何來定義這個參數的呢?

    640-1

    ■上面這個例子顯示,當驅動電壓為0,Vds達到200V的時候,Id這個電流達到了250uA,這個時候認為已經達到擊穿電壓。

    ■不同的廠家對此定義略有不同,但是基本上來說,當電壓超過擊穿電壓,MOS的漏電流就會急劇上升。

    ■導通電阻:

    ■MOSFET在導通之后,其特性可以近似認為是一個電阻

    640-2

    ■上面這個例子表示,在驅動電壓為10V的時候,導通電阻為0.18歐姆

    ■導通電阻的溫度關系:

    ■MOS的導通電阻隨溫度上升而上升,下圖顯示該MOS的導通電阻在結溫為140度的時候,為20度時候的2倍。

    640-1

    ■導通閥值電壓:就是當驅動電壓到達該值之后,可認為MOS已經開通。

    640-3

    ■上面這個例子,可以看到當Vgs達到2-4V的時候,MOS電流就上升到250uA。這時候可認為MOS已經開始開通。

    ■驅動電壓和導通電阻,最大導通電流之間的關系

    ■從下圖可以看到,驅動電壓越高,實際上導通電阻越小,而且最大導通電流也越大

    640-2

    ■導通閥值電壓隨溫度上升而下降

    ■MOSFET的寄生二極管

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    ■寄生二極管比較重要的特性,就是反向恢復特性。這個在ZVS,同步整流等應用中顯得尤為重要。

    ■MOSFET的寄生電容

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    ■這三個電容的定義如下:

    640-5

    ■MOS的寄生電容都是非線性電容,其容值和加在上面的電壓有關。所以一般的MOS廠家還會用另外一個參數來描述這個特性:

    640-7

    ■用電荷來描述

    MOS管的驅動技術,下面我們用實例來詳解

    首先,來做一個實驗,把一個MOSFET的G懸空,然后在DS上加電壓,那么會出現什么情況呢?很多工程師都知道,MOS會導通甚至擊穿。這是為什么呢?因為我根本沒有加驅動電壓,MOS怎么會導通?用下面的圖,來做個仿真:

    1279090886-296378?

    去探測G極的電壓,發現電壓波形如下:

    ?1279091107-296381?

    G極的電壓居然有4V多,難怪MOSFET會導通,這是因為MOSFET的寄生參數在搗鬼。

    關于MOSFET的寄生參數的描述,可以參考蜘蛛先生的帖子:https://bbs.dianyuan.com/topic/579603

    這種情況有什么危害呢?實際情況下,MOS肯定有驅動電路的么,要么導通,要么關掉。問題就出在開機,或者關機的時候,最主要是開機的時候,此時你的驅動電路還沒上電。但是輸入上電了,由于驅動電路沒有工作,G級的電荷無法被釋放,就容易導致MOS導通擊穿。那么怎么解決呢?

    在GS之間并一個電阻.

    1279092063-296403?

    那么仿真的結果呢:

    1279096875-296499?

    幾乎為0V.

    什么叫驅動能力,很多PWM芯片,或者專門的驅動芯片都會說驅動能力,比如384X的驅動能力為1A,其含義是什么呢?

    假如驅動是個理想脈沖源,那么其驅動能力就是無窮大,想提供多大電流就給多大。但實際中,驅動是有內阻的,假設其內阻為10歐姆,在10V電壓下,最多能提供的峰值電流就是1A,通常也認為其驅動能力為1A。

    那什么叫驅動電阻呢,通常驅動器和MOS的G極之間,會串一個電阻,就如下圖的R3。

    1279099735-296563?

    驅動電阻的作用,如果你的驅動走線很長,驅動電阻可以對走線電感和MOS結電容引起的震蕩起阻尼作用。但是通常,現在的PCB走線都很緊湊,走線電感非常小。

    第二個,重要作用就是調解驅動器的驅動能力,調節開關速度。當然只能降低驅動能力,而不能提高。

    對上圖進行仿真,R3分別取1歐姆,和100歐姆。下圖是MOS的G極的電壓波形上升沿。

    1279112950-296637?1279112950-296637?

    紅色波形為R3=1歐姆,綠色為R3=100歐姆。可以看到,當R3比較大時,驅動就有點力不從心了,特別在處理米勒效應的時候,驅動電壓上升很緩慢。

    下圖,是驅動的下降沿1279113234-296640?

    1279113234-296640

    那么驅動的快慢對MOS的開關有什么影響呢?下圖是MOS導通時候DS的電壓:

    1279171481-297088?

    紅色的是R3=1歐姆,綠色的是R3=100歐姆。可見R3越大,MOS的導通速度越慢。

    下圖是電流波形

    1279171742-297099?

    紅色的是R3=1歐姆,綠色的是R3=100歐姆。可見R3越大,MOS的導通速度越慢。

    可以看到,驅動電阻增加可以降低MOS開關的時候得電壓電流的變化率。比較慢的開關速度,對EMI有好處。下圖是對兩個不同驅動情況下,MOS的DS電壓波形做付利葉分析得到

    1279172707-297119?

    紅色的是R3=1歐姆,綠色的是R3=100歐姆。可見,驅動電阻大的時候,高頻諧波明顯變小。

    但是驅動速度慢,又有什么壞處呢?那就是開關損耗大了,下圖是不同驅動電阻下,導通損耗的功率曲線。

    1279173062-297128?

    紅色的是R3=1歐姆,綠色的是R3=100歐姆。可見,驅動電阻大的時候,損耗明顯大了。

    結論:驅動電阻到底選多大?還真難講,小了,EMI不好,大了,效率不好。

    所以只能一個折中的選擇了。

    那如果,開通和關斷的速度要分別調節,怎么辦?就用以下電路。

    1279173972-297146
    • MOSFET的自舉驅動.

      對于NMOS來說,必須是G極的電壓高于S極一定電壓才能導通。那么對于對S極和控制IC的地等電位的MOS來說,驅動根本沒有問題,如上圖。

      但是對于一些拓撲,比如BUCK(開關管放在上端),雙管正激,雙管反激,半橋,全橋這些拓撲的上管,就沒辦法直接用芯片去驅動,那么可以采用自舉驅動電路。

      看下圖的BUCK電路:

      1279344214-298370

      加入輸入12V,MOS的導通閥值為3V,那么對于Q1來說,當Q1導通之后,如果要維持導通狀態,Q1的G級必須保證15V以上的電壓,因為S級已經有12V了。

      那么輸入才12V,怎么得到15V的電壓呢?

      其實上管Q1驅動的供電在于 Cboot。

      看下圖,芯片的內部結構:

      1279344611-298373?

      Cboot是掛在boot和LX之間的,而LX卻是下管的D級,當下管導通的時候,LX接地,芯片的內部基準通過Dboot(自舉二極管)對Cboot充電。當下管關,上管通的時候,LX點的電壓上升,Cboot上的電壓自然就被舉了起來。這樣驅動電壓才能高過輸入電壓。

      當然芯片內部的邏輯信號在提供給驅動的時候,還需要Level shift電路,把信號的電平電壓也提上去。

      Buck電路,現在有太多的控制芯片集成了自舉驅動,讓整個設計變得很簡單。但是對于,雙管的,橋式的拓撲,多數芯片沒有集成驅動。那樣就可以外加自舉驅動芯片,48V系統輸入的,可以采用Intersil公司的ISL21XX,HIP21XX系列。如果是AC/DC中,電壓比較高的,可以采用IR的IR21XX系列。

      下圖是ISL21XX的內部框圖。

      1279374757-298547?

      其核心的東西,就是紅圈里的boot二極管,和Level shift電路

      ISL21XX驅動橋式電路示意圖:

      1279375386-298552?

      驅動雙管電路:

      1279375407-298553??

      驅動有源鉗位示意圖:

      1279375477-298554?

      當然以上都是示意圖,沒有完整的外圍電路,但是外圍其實很簡單,參考datasheet即可。

    • 隔離驅動。當控制和MOS處于電氣隔離狀態下,自舉驅動就無法勝任了,那么就需要隔離驅動了。下面來討論隔離驅動中最常用的,變壓器隔離驅動。

       

      看個最簡單的隔離驅動電路,被驅動的對象是Q1。?

      1279525085-299547

      驅動源參數為12V ,100KHz, D=0.5。

      驅動變壓器電感量為200uH,匝比為1:1。

      1279536990-299704?

      紅色波形為驅動源V1的輸出,綠色為Q1的G級波形。可以看到,Q1-G的波形為具有正負電壓的方波,幅值6V了。

      為什么驅動電壓會下降呢,是因為V1的電壓直流分量,完全被C1阻擋了。所以C1也稱為隔直電容。

      下圖為C1上的電壓。

      1279537290-299705?

      其平均電壓為6V,但是峰峰值,卻有2V,顯然C1不夠大,導致驅動信號最終不夠平。那么把C1變為470n。Q1-G的電壓波形就變成如下:

      1279537758-299707?

      驅動電壓變得平緩了些。如果把驅動變壓器的電感量增加到500uH。驅動信號就如下圖:

      1279537870-299708?

      驅動信號顯得更為平緩。

      從這里可以看到,這種驅動,有個明顯的特點,就是驅動電平,最終到達MOS的時候,電壓幅度減小了,具體減小多少呢,應該是D*V,D為占空比,那么如果D很大的話,驅動電壓就會變得很小,如下圖,D=0.9

      1279643340-300433?

      發現驅動到達MOS的時候,正壓不到2V了。顯然這種驅動不適合占空比大的情況。

      從上面可以看到,在驅動工作的時候,其實C1上面始終有一個電壓存在,電壓平均值為

      V*D,也就是說這個電容存儲著一定的能量。那么這個能量的存在,會帶來什么問題呢?

      下面模擬驅動突然掉電的情況:

      1279643907-300436?

      可見,在驅動突然關掉之后,C1上的能量,會引起驅動變的電感,C1以及mos的結電容之間的諧振。如果這個諧振電壓足夠高的話,就會觸發MOS,對可靠性帶來危害。

      那么如何來降低這個震蕩呢,在GS上并個電阻,下圖是并了1K電阻之后波形:

      1279698437-300993?

      但是這個電阻會給驅動帶來額外的損耗。

      如何傳遞大占空比的驅動:

      看一個簡單的驅動電路。

      1279712951-301200

      當D=0.9的時候

      1279713216-301203?

      紅色波形為驅動源輸出,綠色為到達MOS的波形。基本保持了驅動源的波形。

      同樣,這個電路在驅動掉電的時候,比如關機,也會出現震蕩。

      1279713710-301205?

      而且似乎這個問題比上面的電路還嚴重。

      下面嘗試降低這個震蕩,首先把R5改為1K

      1279714123-301211?

      確實有改善,但問題還是嚴重,繼續在C2上并一個1K的電阻。

      1279714291-301213?

      綠色的波形,確實更改善了一些,但是問題還是存在。這是個可靠性的隱患。

      對于這個問題如何解決呢?可以采用soft stop的方式來關機。soft stop其實就是soft start的反過程,就是在關機的時候,讓驅動占空比從大往小變化,直到關機。很多IC已經集成了該功能。

      1279725208-301306?

      可看到,驅動信號在關機的時候,沒有了上面的那些震蕩。

      對于半橋,全橋的驅動,由于具有兩相驅動,而且相位差為180度,那么如何用隔離變壓器來驅動呢?

      1279972491-303557

      采用一拖二的方式,可以來驅動兩個管子。

      下圖,是兩個驅動源的波形:

      1279972726-303558?

      通過變壓器傳遞之后,到達MOS會變成如下:

      1279972829-303559?

      • ?
      • 在有源鉗位,不對稱半橋,以及同步整流等場合,需要一對互補的驅動,那么怎么用一路驅動來產生互補驅動,并且形成死區。可用下圖。1279974457-303562?

        波形如下圖:

        1279974555-303563?

      • MOSFET的并聯驅動,由于MOS經常采用并聯的方式工作,那么驅動又該如何設計呢?

         

        是這樣1280206249-305183?

        還是這樣?

        1280206281-305185

         

        MOS并聯,對驅動的一致性要求就很高了,如果導通,關斷時間不一致,會導致其中一個MOS開關損耗劇增。所以在軟開關電路上,用MOS并聯問題比較少,但是硬開關電路,就要小心了。下面用仿真來看現象,假設兩個MOS并聯,而且MOS的參數完全一樣。

        但是驅動走線的寄生參數有很大不同。

        1280287584-305913?

        R2,R4,L1,L2都為驅動走線的寄生參數。那么下圖為,導通時候,兩個mos的電流

        基本上還算一致。

         

        1280287794-305915

         

        接下去,把兩個驅動電阻并聯起來一起去驅動兩MOS,

        1280288299-305917?

        再看導通時候的電流波形:

        1280288430-305919?

        兩管子的電流波形,均出現劇烈震蕩。

      Pmos的驅動:

      下圖為Pmos

      1281502631-316694?

      Pmos要求GS的電壓是負的,也就是G的電壓要比S的低,才能導通。那么,如果SD承受高壓,G只要比S的電壓低一點就能導通,但是一旦SD導通,G必須維持負壓才能導通。

      而GS的耐壓是很低的,這就很麻煩了。一般在電源中最常見的Pmos應用,就有有源鉗位

       

      有源鉗位的Pmos,是S級接地的,那么要保持導通,G級必須要有負壓才行。那么如何產生負壓呢,可以采用下圖驅動方式:

      1281503406-316709?

      那么波形可見:

      1281503421-316711??

     

     

     

     

     


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