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MOSFET和IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器電路的基本原理

發(fā)布時(shí)間:2020-01-17 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】從 MOSFET 技術(shù)和開關(guān)運(yùn)行概述入手,詳細(xì)介紹接地參考和高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)流程,以及交流耦合和變壓器隔離解決方案。該報(bào)告還包含了一個(gè)特殊部分,專門介紹在同步整流器應(yīng)用中 MOSFET 的柵極驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的重要性。
 
TI 近日發(fā)布了MOSFET 和 IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)器電路的基本原理的應(yīng)用報(bào)告。該報(bào)告對(duì)目前較為流行的電路解決方案及其性能進(jìn)行了分析,包括寄生器件的影響、瞬態(tài)和極端工作條件。
 
MOSFET 簡(jiǎn)介
 
MOSFET是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的首字母縮寫詞,它是電子行業(yè)高頻高效開關(guān)領(lǐng)域的關(guān)鍵組件。雙極晶體管和 MOSFET 晶體管的工作原理相同。從根本上說,這兩種晶體管都是電荷控制器件,這就意味著它們的輸出電流與控制電極在半導(dǎo)體中形成的電荷成比例。將這些器件用作開關(guān)時(shí),都必須由能夠提供足夠灌入和拉出電流的低阻抗源來驅(qū)動(dòng),以實(shí)現(xiàn)控制電荷的快速嵌入和脫出。從這一點(diǎn)來看,在開關(guān)期間,MOSFET 必須以類似于雙極晶體管的形式進(jìn)行“硬”驅(qū)動(dòng),以實(shí)現(xiàn)可媲美的開關(guān)速度。從理論上來說,雙極晶體管和 MOSFET 器件的開關(guān)速度幾乎相同,這取決于電荷載流子在半導(dǎo)體區(qū)域中傳輸所需的時(shí)間。功率器件的典型值大約為 20 至 200 皮秒,具體取決于器件大小。
 
MOSFET 技術(shù)在數(shù)字和功率應(yīng)用領(lǐng)域的普及得益于它與雙極結(jié)晶體管相比所具有的兩個(gè)主要優(yōu)勢(shì):
 
1.MOSFET 器件在高頻開關(guān)應(yīng)用中使用應(yīng)用非常重要。
 
MOSFET 晶體管更加容易驅(qū)動(dòng),因?yàn)槠淇刂齐姌O與導(dǎo)電器件隔離,所以不需要連續(xù)的導(dǎo)通電流。一旦MOSFET 晶體管開通,它的驅(qū)動(dòng)電流幾乎為零。而且,控制電荷大量減少,MOSFET 晶體管的存儲(chǔ)時(shí)間也相應(yīng)大幅減少。這基本上消除了導(dǎo)通壓降和關(guān)斷時(shí)間之間的設(shè)計(jì)權(quán)衡問題,而開通狀態(tài)壓降與控制電荷成反比。因此,與雙極器件相比,MOSFET 技術(shù)預(yù)示著使用更簡(jiǎn)單且更高效的驅(qū)動(dòng)電路帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
 
2.在電源應(yīng)用中,MOSFET 具有電阻的性質(zhì)。
 
MOSFET 漏源端上的壓降是流入半導(dǎo)體的電流的線性函數(shù)。此線性關(guān)系用 MOSFET 的RDS(on) 來表征,也稱為導(dǎo)通電阻。導(dǎo)通電阻對(duì)指定柵源極電壓和器件溫度來說是恒定的。與 p-n 結(jié) -2.2mV/°C 的溫度系數(shù)不同,MOSFET 的溫度系數(shù)為正值,約為 0.7%/°C 至 1%/°C。正因?yàn)?MOSFET 具有此正溫度系數(shù),所以當(dāng)使用單個(gè)器件不現(xiàn)實(shí)或不可能時(shí),它便是高功率應(yīng)用中 并行運(yùn)行的理想之選。由于通道電阻具有正 TC,因此多個(gè)并聯(lián) MOSFET會(huì)均勻地分配電流。在多個(gè)MOSFET 上會(huì)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電流共享,因?yàn)檎齌C的作用相當(dāng)于一種緩慢的負(fù)反饋系統(tǒng)。載流更大的器件會(huì)產(chǎn)生更多熱量——請(qǐng)別忘了漏源電壓是相等的——并且溫度升高會(huì)增加其 RDS(on) 值。增加電阻會(huì)導(dǎo)致電流減小,從而降低溫度。最終,當(dāng)并聯(lián)器件所承載的電流大小相近時(shí),便達(dá)到平衡狀態(tài)。RDS(on)  值和不同結(jié)至環(huán)境熱阻的初始容差可導(dǎo)致電流分布出現(xiàn)高達(dá) 30% 的重大誤差。
 
設(shè)計(jì)過程
 
為高速開關(guān)應(yīng)用設(shè)計(jì)高性能柵極驅(qū)動(dòng)電路的系統(tǒng)性應(yīng)用非常重要。可通過以下分步核對(duì)表總結(jié)此過程:
 
在完成功率級(jí)設(shè)計(jì)并選擇電源組件后,開始柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)過程。
 
采集所有相關(guān)的工作參數(shù)。具體來說,包括基于應(yīng)用要求的功率MOSFET的電壓和電流應(yīng)力、工作結(jié)溫度以及與功率MOSFET周圍外部電路相關(guān)的dv/dt和di/dt極限,這些參數(shù)通常由功率級(jí)的不同阻尼器或諧振電路決定。
 
估算用于描述實(shí)際應(yīng)用電路中功率半導(dǎo)體的寄生分量值的所有器件參數(shù)。數(shù)據(jù)表中列出的值通常是在不現(xiàn)實(shí)的室溫測(cè)試條件下產(chǎn)生中,必須相應(yīng)地進(jìn)行修正。這些參數(shù)包括器件電容、總柵極電荷、RDS(on) 、閾值電壓、米勒平坦區(qū)域電壓、內(nèi)部柵極網(wǎng)狀電阻等。
 
應(yīng)優(yōu)先考慮以下要求:性能、印刷電路板大小、目標(biāo)成本等。然后選擇符合功率級(jí)拓?fù)涞暮线m柵極驅(qū)動(dòng)電流。
 
確定將用于為柵極驅(qū)動(dòng)電路供電的偏置電壓電平,并檢查電壓是否足以將MOSFET的RDS(on) 降至最低。
 
根據(jù)目標(biāo)上電dv/dt和所需的開通和關(guān)斷開關(guān)速度,選擇驅(qū)動(dòng)器IC、柵源極電阻值和串聯(lián)柵極電阻RGATE。
 
根據(jù)需要設(shè)計(jì)(或選擇)柵極驅(qū)動(dòng)變壓器。
 
如果是交流耦合,計(jì)算耦合電容值。
 
檢查啟動(dòng)和瞬態(tài)運(yùn)行條件,尤其是在交流耦合柵極驅(qū)動(dòng)電路中。
 
估算驅(qū)動(dòng)器的dv/dt和di/dt能力,并將其與功率級(jí)確定的值進(jìn)行比較。
 
根據(jù)需要增加一種關(guān)斷電路,并計(jì)算可滿足dv/dt和di/dt要求的分量值。
 
檢查驅(qū)動(dòng)器電路中所有元件的功率損耗。
 
計(jì)算旁路電容值。
 
優(yōu)化印刷電路板布局,最大程度地減小寄生電感。
 
隨時(shí)檢查最終印刷電路板的柵極驅(qū)動(dòng)波形,查看在柵源極端子和驅(qū)動(dòng)器IC輸出端有無過度振鈴。
 
增加保護(hù)或根據(jù)需要更換柵極驅(qū)動(dòng)電阻器以調(diào)整諧振電路。
 
在可靠的設(shè)計(jì)中,應(yīng)針對(duì)最差情況對(duì)這些步驟進(jìn)行評(píng)估,因?yàn)闇厣?、瞬態(tài)電壓和電流應(yīng)力可以給驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行帶來重大變化,最終影響功率 MOSFET 的開關(guān)性能。
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