■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(shù)的呢?
■上面這個例子顯示,當驅(qū)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(jīng)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
■上面這個例子表示,在驅(qū)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。
■導通閥值電壓:就是當驅(qū)動電壓到達該值之后,可認為MOS已經(jīng)開通。
■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(jīng)開始開通。
■驅(qū)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(qū)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
■導通閥值電壓隨溫度上升而下降
■MOSFET的寄生二極管
■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
■這三個電容的定義如下:
■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(shù)來描述這個特性:
■用電荷來描述
MOS管的驅(qū)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(xiàn)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(qū)動電壓,MOS怎么會導通?用下面的圖,來做個仿真:
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去探測G極的電壓,發(fā)現(xiàn)電壓波形如下:
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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(shù)在搗鬼。
關于MOSFET的寄生參數(shù)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(qū)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(qū)動電路還沒上電。但是輸入上電了,由于驅(qū)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.
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那么仿真的結果呢:
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幾乎為0V.
什么叫驅(qū)動能力,很多PWM芯片,或者專門的驅(qū)動芯片都會說驅(qū)動能力,比如384X的驅(qū)動能力為1A,其含義是什么呢?
假如驅(qū)動是個理想脈沖源,那么其驅(qū)動能力就是無窮大,想提供多大電流就給多大。但實際中,驅(qū)動是有內(nèi)阻的,假設其內(nèi)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(qū)動能力為1A。
那什么叫驅(qū)動電阻呢,通常驅(qū)動器和MOS的G極之間,會串一個電阻,就如下圖的R3。
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驅(qū)動電阻的作用,如果你的驅(qū)動走線很長,驅(qū)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(xiàn)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(diào)解驅(qū)動器的驅(qū)動能力,調(diào)節(jié)開關速度。當然只能降低驅(qū)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。
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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(qū)動就有點力不從心了,特別在處理米勒效應的時候,驅(qū)動電壓上升很緩慢。
下圖,是驅(qū)動的下降沿?
那么驅(qū)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:
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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
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紅色的是R3=1歐姆,綠色的是R3=100歐姆??梢奟3越大,MOS的導通速度越慢。
可以看到,驅(qū)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(qū)動情況下,MOS的DS電壓波形做付利葉分析得到
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紅色的是R3=1歐姆,綠色的是R3=100歐姆??梢姡?qū)動電阻大的時候,高頻諧波明顯變小。
但是驅(qū)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(qū)動電阻下,導通損耗的功率曲線。
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紅色的是R3=1歐姆,綠色的是R3=100歐姆??梢?,驅(qū)動電阻大的時候,損耗明顯大了。
結論:驅(qū)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(diào)節(jié),怎么辦?就用以下電路。
MOSFET的自舉驅(qū)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(qū)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(qū)動,那么可以采用自舉驅(qū)動電路。
看下圖的BUCK電路:
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(tài),Q1的G級必須保證15V以上的電壓,因為S級已經(jīng)有12V了。
那么輸入才12V,怎么得到15V的電壓呢?
其實上管Q1驅(qū)動的供電在于 Cboot。
看下圖,芯片的內(nèi)部結構:
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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(nèi)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(qū)動電壓才能高過輸入電壓。
當然芯片內(nèi)部的邏輯信號在提供給驅(qū)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(xiàn)在有太多的控制芯片集成了自舉驅(qū)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(shù)芯片沒有集成驅(qū)動。那樣就可以外加自舉驅(qū)動芯片,48V系統(tǒng)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(nèi)部框圖。
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其核心的東西,就是紅圈里的boot二極管,和Level shift電路
ISL21XX驅(qū)動橋式電路示意圖:
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驅(qū)動雙管電路:
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驅(qū)動有源鉗位示意圖:
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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(qū)動。當控制和MOS處于電氣隔離狀態(tài)下,自舉驅(qū)動就無法勝任了,那么就需要隔離驅(qū)動了。下面來討論隔離驅(qū)動中最常用的,變壓器隔離驅(qū)動。
看個最簡單的隔離驅(qū)動電路,被驅(qū)動的對象是Q1。?
驅(qū)動源參數(shù)為12V ,100KHz, D=0.5。
驅(qū)動變壓器電感量為200uH,匝比為1:1。
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紅色波形為驅(qū)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(qū)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。
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其平均電壓為6V,但是峰峰值,卻有2V,顯然C1不夠大,導致驅(qū)動信號最終不夠平。那么把C1變?yōu)?70n。Q1-G的電壓波形就變成如下:
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驅(qū)動電壓變得平緩了些。如果把驅(qū)動變壓器的電感量增加到500uH。驅(qū)動信號就如下圖:
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驅(qū)動信號顯得更為平緩。
從這里可以看到,這種驅(qū)動,有個明顯的特點,就是驅(qū)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(qū)動電壓就會變得很小,如下圖,D=0.9
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發(fā)現(xiàn)驅(qū)動到達MOS的時候,正壓不到2V了。顯然這種驅(qū)動不適合占空比大的情況。
從上面可以看到,在驅(qū)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(qū)動突然掉電的情況:
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可見,在驅(qū)動突然關掉之后,C1上的能量,會引起驅(qū)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(fā)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:
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但是這個電阻會給驅(qū)動帶來額外的損耗。
如何傳遞大占空比的驅(qū)動:
看一個簡單的驅(qū)動電路。
當D=0.9的時候
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紅色波形為驅(qū)動源輸出,綠色為到達MOS的波形。基本保持了驅(qū)動源的波形。
同樣,這個電路在驅(qū)動掉電的時候,比如關機,也會出現(xiàn)震蕩。
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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
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確實有改善,但問題還是嚴重,繼續(xù)在C2上并一個1K的電阻。
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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(qū)動占空比從大往小變化,直到關機。很多IC已經(jīng)集成了該功能。
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可看到,驅(qū)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(qū)動,由于具有兩相驅(qū)動,而且相位差為180度,那么如何用隔離變壓器來驅(qū)動呢?
采用一拖二的方式,可以來驅(qū)動兩個管子。
下圖,是兩個驅(qū)動源的波形:
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通過變壓器傳遞之后,到達MOS會變成如下:
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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(qū)動,那么怎么用一路驅(qū)動來產(chǎn)生互補驅(qū)動,并且形成死區(qū)??捎孟聢D。?
波形如下圖:
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MOSFET的并聯(lián)驅(qū)動,由于MOS經(jīng)常采用并聯(lián)的方式工作,那么驅(qū)動又該如何設計呢?
是這樣?
還是這樣?
MOS并聯(lián),對驅(qū)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(lián)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(xiàn)象,假設兩個MOS并聯(lián),而且MOS的參數(shù)完全一樣。
但是驅(qū)動走線的寄生參數(shù)有很大不同。
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R2,R4,L1,L2都為驅(qū)動走線的寄生參數(shù)。那么下圖為,導通時候,兩個mos的電流
基本上還算一致。
接下去,把兩個驅(qū)動電阻并聯(lián)起來一起去驅(qū)動兩MOS,
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再看導通時候的電流波形:
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兩管子的電流波形,均出現(xiàn)劇烈震蕩。
Pmos的驅(qū)動:
下圖為Pmos
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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(chǎn)生負壓呢,可以采用下圖驅(qū)動方式:
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那么波形可見:
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