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一文了解MOS管的寄生参数及其驱动电路

2019-02-11 10:22 来源:互联网 编辑:Angelina

我们在应用MOS管和设计MOS管驱动的时候,有很多寄生参数,其中最影响MOS管开关性能的是源边感抗。寄生的源边感抗主要有两种来源,第一个就是晶圆DIE和封装之间的Bonding线的感抗,另外一个就是源边引脚到地的PCB走线的感抗(地是作为驱动电路的旁路电容和电源网络滤波网的返回路径)。在某些情况下,加入测量电流的小电阻也可能产生额外的感抗。

mos管是什么?

mos管是金属(metal)—氧化物(oxide)—半导体(semiconductor)场效应晶体管,或者称是金属—绝缘体(insulator)—半导体。MOS管的source和drain是可以对调的,他们都是在P型backgate中形成的N型区。在多数情况下,这个两个区是一样的,即使两端对调也不会影响器件的性能。这样的器件被认为是对称的。

双极型晶体管把输入端电流的微小变化放大后,在输出端输出N沟道mos管符号一个大的电流变化。双极型晶体管的增益就定义为输出输入电流之比(beta)。另一种晶体管,叫做场效应管(FET),把输入电压的变化转化为输出电流的变化。FET的增益等于它的transconductance, 定义为输出电流的变化和输入电压变化之比。市面上常有的一般为N沟道和P沟道,详情参考右侧图片(N沟道耗尽型MOS管)。而P沟道常见的为低压mos管。

一文了解MOS管的寄生参数及其驱动电路

场效应管通过投影P沟道mos管符号一个电场在一个绝缘层上来影响流过晶体管的电流。事实上没有电流流过这个绝缘体,所以FET管的GATE电流非常小。最普通的FET用一薄层二氧化硅来作为GATE极下的绝缘体。这种晶体管称为金属氧化物半导体(MOS)晶体管,或,金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)。因为MOS管更小更省电,所以他们已经在很多应用场合取代了双极型晶体管。

一文了解MOS管的寄生参数及其驱动电路

我们分析一下源边感抗带来的影响:

1.使得MOS管的开启延迟和关断延迟增加

由于存在源边电感,在开启和关段初期,电流的变化被拽了,使得充电和放电的时间变长了。同时源感抗和等效输入电容之间会发生谐振(这个谐振是由于驱动电压的快速变压形成的,也是我们在G端看到震荡尖峰的原因),我们加入的门电阻Rg和内部的栅极电阻Rm都会抑制这个震荡(震荡的Q值非常高)。

一文了解MOS管的寄生参数及其驱动电路


我们需要加入的优化电阻的值可以通过上述的公式选取,如果电阻过大则会引起G端电压的过冲(优点是加快了开启的过程),电阻过小则会使得开启过程变得很慢,加大了开启的时间(虽然G端电压会被抑制)。

园感抗另外一个影响是阻碍Id的变化,当开启的时候,初始时di/dt偏大,因此在原感抗上产生了较大压降,从而使得源点点位抬高,使得Vg电压大部分加在电感上面,因此使得G点的电压变化减小,进而形成了一种平衡(负反馈系统)。

另外一个重要的寄生参数是漏极的感抗,主要是有内部的封装电感以及连接的电感所组成。

在开启状态的时候Ld起到了很好的作用(Subber吸收的作用),开启的时候由于Ld的作用,有效的限制了di/dt/(同时减少了开启的功耗)。在关断的时候,由于Ld的作用,Vds电压形成明显的下冲(负压)并显著的增加了关断时候的功耗。

下面谈一下驱动(直连或耦合的)的一些重要特性和典型环节:

直连电路最大挑战是优化布局

实际上驱动器和MOS管一般离开很远,因此在源级到返回路径的环路上存在很大的感抗,即使我们考虑使用地平面,那么我们仍旧需要一段很粗的PCB线连接源级和地平面。

一文了解MOS管的寄生参数及其驱动电路

另外一个问题是大部分的集成芯片的输出电流都比较小,因为由于控制频率较高,晶圆大小受到限制。同时内部功耗很高也导致了IC的成本较高,因此我们需要一些扩展分立的电路。

旁路电容的大小

由于开启的瞬间,MOS管需要吸取大量的电流,因此旁路电容需要尽可能的贴近驱动器电源端。

有两个电流需要我们去考虑:第一个是驱动器静态电流,它收到输入状态的影响。他可以产生一个和占空比相关的纹波。

另外一个是G极电流,MOS管开通的时候,充电电流时将旁路电流的能量传输至MOS管输入电容上。其纹波大小可用公式来表明,最后两个可合在一起。

驱动器保护

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如果驱动器输出级为晶体管,那么我们还需要适当的保护来防止反向电流。一般为了成本考虑,我们采用NPN的输出级电路。NPN管子只能承受单向电流,高边的管子输出电流,低边的管子吸收电流。在开启和关闭的时候,无可避免的源感抗和输入电容之间的振荡使得电流需要上下两个方向都有通路,为了提供一条方向通路,低电压的肖特基二极管可以用来保护驱动器的输出级,这里注意这两个管子并不能保护MOS管的输入级(离MOS管较远),因此二极管需要离驱动器引脚非常近。


晶体管的图腾柱结构

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这是最便宜和有效地驱动方式,此电路需要尽量考虑MOS管,这样可以使得开启时大电流环路尽可能小,并且此电路需要专门的旁路电容。Rgate是可选的,Rb可以根据晶体管的放大倍数来选择。两个BE之间的PN结有效的实现了反压时候的相互保护,并能有效的把电压嵌位在VCC+Vbe,GND-Vbe之间。

加速器件

MOS管开通的时候,开启的速度主要取决于二极管的反向特性。

因此MOS管关断的时间需要我们去优化,放电曲线取决于Rgate,Rgate越小则关断越快。下面有好几个方案:

1.二极管关断电路

一文了解MOS管的寄生参数及其驱动电路

这是最简单的加速电路。Rgate调整着MOS管的开启速度,当关断的时候,由二极管短路电阻,此时G极电流最小为:Imin=Vf/Rgate。

此电路的优点是大大加速了关断的速度,但是它仅在电压高的时候工作,且电流仍旧流向驱动器。

2.PNP关断电路

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这是最流行和通用的电路,利用PNP的管子,在关断期间,源极和栅极被短路了。二极管提供了开启时候的电流通路(并且有保护PNP管子eb免受反向电压的影响),Rgate限制了开启的速度。

电路的最大的好处是放电电流的尖峰被限制在最小的环路中,电流并不返回至驱动器,因此也不会造成地弹的现象,驱动器的功率也小了一半,三极管的存在减小了回路电感。仔细看这个电路其实是图腾柱结构的简化,电路的唯一的缺点是栅极电压并不释放到0V,而是存在EC极的压差。

3.NPN关断电路

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优点和上面的PNP管子相同,缺点是加入了一个反向器,加入反向器势必会造成延迟。

4.NMOS关断电路

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这个电路可以使得MOS管关断非常快,并且栅极电压完全释放至零电压。不过小NMOS管子需要一个方向电压来驱动。问题也存在,NMOS的Coss电容和主MOS管的CISS合成变成等效的电容了

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