MOSFET驱动电路设计参考

根据电源谷网站文章整理总20页第１页MOSFETdatasheet参数理解及其主要特性来源:电源谷作者:Blash下文主要介绍mosfet的主要参数，通过此参数来理解设计时候的考量一、场效应管的参数很多，一般datasheet都包含如下关键参数：1极限参数：ID：昀大漏源电流。是指场效应管正常工作时，漏源间所允许通过的昀大电流。场效应管的工作电流不应超过ID。此参数会随结温度的上升而有所减额。IDM：昀大脉冲漏源电流。此参数会随结温度的上升而有所减额。PD：昀大耗散功率。是指场效应管性能不变坏时所允许的昀大漏源耗散功率。使用时，场效应管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量。此参数一般会随结温度的上升而有所减额。VGS：昀大栅源电压。Tj：昀大工作结温。通常为150℃或175℃，器件设计的工作条件下须确应避免超过这个温度，并留有一定裕量。TSTG：存储温度范围。2静态参数V(BR)DSS：漏源击穿电压。是指栅源电压VGS为0时，场效应管正常工作所能承受的昀大漏源电压。这是一项极限参数，加在场效应管上的工作电压必须小于V(BR)DSS。它具有正温度特性。故应以此参数在低温条件下的值作为安全考虑。△V(BR)DSS/△Tj：漏源击穿电压的温度系数，一般为0.1V/℃。RDS(on)：在特定的VGS（一般为10V）、结温及漏极电流的条件下，MOSFET导通时漏源间的昀大阻抗。它是一个非常重要的参数，决定了MOSFET导通时的消耗功率。此参数一般会随结温度的上升而有所增大。故应以此参数在昀高工作结温条件下的值作为损耗及压降计算。VGS(th)：开启电压（阀值电压）。当外加栅极控制电压VGS超过VGS(th)时，漏区和源区的表面反型层形成了连接的沟道。应用中，常将漏极短接条件下ID等于1毫安时的栅极电压称为开启电压。此参数一般会随结温度的上升而有所降低。IDSS：饱和漏源电流，栅极电压VGS=0、VDS为一定值时的漏源电流。一般在微安级。IGSS：栅源驱动电流或反向电流。由于MOSFET输入阻抗很大，IGSS一般在纳安级。3动态参数gfs：跨导。是指漏极输出电流的变化量与栅源电压变化量之比，是栅源电压对漏极电流控制能力大小的量度。gfs与VGS的转移关系图如图2所示。根据电源谷网站文章整理总20页第２页Qg：栅极总充电电量。MOSFET是电压型驱动器件，驱动的过程就是栅极电压的建立过程，这是通过对栅源及栅漏之间的电容充电来实现的，下面将有此方面的详细论述。Qgs：栅源充电电量。Qgd：栅漏充电（考虑到Miller效应）电量。Td(on)：导通延迟时间。从有输入电压上升到10%开始到VDS下降到其幅值90%的时间(参考图4)。Tr：上升时间。输出电压VDS从90%下降到其幅值10%的时间。Td(off)：关断延迟时间。输入电压下降到90%开始到VDS上升到其关断电压时10%的时间。Tf：下降时间。输出电压VDS从10%上升到其幅值90%的时间(参考图4)。Ciss：输入电容，Ciss=CGD+CGS（CDS短路）。Coss：输出电容。Coss=CDS+CGD。Crss：反向传输电容。Crss=CGD。图2MOSFET的极间电容MOSFET之感生电容被大多数制造厂商分成输入电容，输出电容以及反馈电容。所引述的值是在漏源电压为某固定值的情况下。此些电容随漏源电压的变化而变化（见图3的一典型关系曲线）。电容数值的作用是有限的。输入电容值只给出一个大概的驱动电路所需的充电说明。而栅极充电信息更为有用。它表明为达到一个特定的栅源电压栅极所必须充的电量。根据电源谷网站文章整理总20页第３页图3结电容与漏源电压之关系曲线4雪崩击穿特性参数这些参数是MOSFET在关断状态能承受过压能力的指标。如果电压超过漏源极限电压将导致器件处在雪崩状态。EAS：单次脉冲雪崩击穿能量。这是个极限参数，说明MOSFET所能承受的昀大雪崩击穿能量。IAR：雪崩电流。EAR：重复雪崩击穿能量。5热阻：结点到外壳的热阻。它表明当耗散一个给定的功率时，结温与外壳温度之间的差值大小。公式表达⊿t=PD*。：外壳到散热器的热阻，意义同上。：结点到周围环境的热阻，意义同上。6体内二极管参数IS：连续昀大续流电流（从源极）。ISM：脉冲昀大续流电流（从源极）。VSD：正向导通压降。Trr：反向恢复时间。Qrr：反向恢复充电电量。Ton：正向导通时间。（基本可以忽略不计）。根据电源谷网站文章整理总20页第４页图3gfs----VGS曲线图图4MOSFET开通时间和关断时间定义二、在应用过程中，以下几个特性是经常需要考虑的：1、V（BR）DSS的正温度系数特性。这一有异于双极型器件的特性使得其在正常工作温度升高后变得更可靠。但也需要留意其在低温冷启机时的可靠性。2、V（GS）th的负温度系数特性。栅极门槛电位随着结温的升高会有一定的减小。一些辐射也会使得此门槛电位减小，甚至可能低于0电位。这一特性需要工程师注意MOSFET在此些情况下的干扰误触发，尤其是低门槛电位的MOSFET应用。因这一特性，有时需要将栅极驱动的关闭电位设计成负值（指N型，P型类推）以避免干扰误触发。3、VDSon/RDSon的正温度系数特性。VDSon/RDSon随着结温的升高而略有增大的特性使得MOSFET的直接并联使用变得可能。双极型器件在此方面恰好相反，故其并联使用变得相当复杂化。RDSon也会随着ID的增大而略有增大，这一特性以及结和面RDSon正温度特性使得MOSFET避免了象双极型器件那样的二次击穿。根据电源谷网站文章整理总20页第５页但要注意此特性效果相当有限，在并联使用、推挽使用或其它应用时不可完全依赖此特性的自我调节，仍需要一些根本措施。这一特性也说明了导通损耗会在高温时变得更大。故在损耗计算时应特别留意参数的选择。4、ID的负温度系数特性?根据电源谷网站文章整理总20页第６页电源应用中Mosfet驱动电路设计参考来源:电源谷作者:Blash一、驱动过程原理驱动设计是MOSFET应用的重点之一。而MOSFET驱动过程特性的理解将会有助于此方面的正确应用。MOSFET的栅极驱动过程可以简单理解为驱动电源对MOSFET输入电容的充放电过程。其极间电容效应如本站文章“DATASHEET参数及基本特性”中示意图所示。器件规格书目所提供的极间电容值是在一定条件下得到的静态参数。而在实际应用，这些电容的参数是温度及电压的非线性函数关系，而且受米勒效应的影响，总的动态输入电容将比总静态电容大得多。这些都给栅极驱动的准确分析带来很大困难。但从应用角度，了解其驱动过程的特性是必须的。下面图5和图6为器件商提供之恒流源（为了更容易地展现并解释栅极的容性负载充电过程）驱动栅极的典型特性曲线。图7为器件商提供之恒压源驱动栅极时的典型特性曲线。图8为一开关电源（SPS）模块（FLYBACKTopology）功率MOSFET驱动开启（Toff_on）时测量得到的波形记录。图9为驱动过程分解之等效电路图5恒流源作为驱动电源时的驱动过程曲线及其对应的MOSFET开通波形曲线根据电源谷网站文章整理总20页第７页图6恒流源作为驱动电源时VGS与ID/VDS的关系曲线图7，在恒压源作为驱动电源时的驱动过程曲线及其对应的MOSFET开通波形曲线根据电源谷网站文章整理总20页第８页图9MOSFET驱动电源为恒压源时开启过程之4阶段等效电路（以二极管钳位感性电路为负载）(a)t0~t1阶段等效电路(b)t1~t2阶段等效电路(c)t2~t3阶段等效电路(d)t3~t4阶段等效电路根据电源谷网站文章整理总20页第９页栅极驱动过程分解：时期等效电路模型过程描述t0之前t0之前。MOSFET处于关闭状态，其漏源间承受全部电压Vdd，栅极电压VGS和漏极电流ID为零；(a)t0~t1t0~t1时期。在图5和图6中恒流驱动电源IG给Ciss充电(一般静态CGSCGD，故仅考虑VGS已经有足够的精确度),VGS线性上升并到达门槛电压VG(th)。VGS上升到VG(th)之前漏极电流ID≈0A。所需驱动电量：△Qt0~t1=(t1-t0)IG=VG(th)Ciss≈VG(th)CGS所需驱动电流：IG=VG(th)Ciss/(t1-t0)栅极电压上升率：dVGS/dt=IG/Ciss≈IG/CGS现实使用中（驱动电压近似恒压源），如图7示，VGS呈指数上升，时间常数t1=RG(CGS+CGD1).(b)t1~t2t1~t2时期。t1时刻MOSFET被打开，在t1~t2期间IG给Ciss继续充电。栅极电压VGS继续上升，机理跟前一阶段完全一样，公式参考如上。此时器件进入了饱和区（进入此区的条件是VDS(VDS(sat)=VGS-Vth)，漏极电流iD从t1时刻起依VGS按一定函数关系爬升（iD=K(VGS-Vth)2,K=ìnCOXW/2L，COX=eOX/tOX，其中ìn为反型层中电子的迁移率，eOX为氧化物介电常数，tOX为氧化物厚度，W/L分别为沟道宽度和长度）。此上升斜坡持续直至t2时刻电流iD达到饱和或达到负载昀大电流，故VGS的上升到达平台Va随iD（一般为负载昀大电流）而不同。在此期间漏源极之间依然承受近乎全部电压Vdd。以上所有时期t0~t2,Crss(即CGD）的上端电位被钳位于Vdd，下端则随栅极电压变化而变化。在这个期间Crss的充电电流非常小可以忽略不计，电流大部分流到CGS。根据电源谷网站文章整理总20页第１０页(c)t2~t3t2~t3时期。t2时刻电流ID达到饱和或达到负载昀大电流并维持恒定，而漏源电压VDS继续下降。在t2~t3时期MOSFET工作于饱和区，VGS被限制于一固定值（MOSFET传输特性）。故在此期间CGS不再消耗电荷，驱动电流转而流向Crss（即CGD）并给其充电。在此区间由于VDS变化很大，虽然相对于CGS而言CGD很小，但IG在Crss上消耗的电荷却是一个不可忽略的数量。随着VDS下降，MOSFET逐渐进入于电阻区。VDD越大，t2~t3时期（既Va平台持续时间）越长。所需驱动电量：△Qt2~t3=(t3－t2)IG=VDDCGD所需驱动电流：IG=VDDCGD/(t3－t2)现实使用中（驱动电压近似恒压源，如图7）：驱动电流IG=(VGG－Va)/RGVDS下降斜率dVDG/dt=dVDS/dt=IG/CGD=(VGG－Va)/(RGCGD)(d)t3~t4t3~t4时期.t3时刻，在IG的继续充电下，VGS又进入线性上升阶段。这时候漏极电压下降至VDS=Id×Rds(on)，此时MOSFET的工作状态进入了电阻区，栅极电压不再受漏极电流影响自由上升。VGS平台的结束及第二次上升斜坡的开始表明器件在此时已完全开通。t4时栅极电压等于驱动电路提供的电压。t3~t4期间栅极的充电原理、特性及公式表达参考t0~t1之时期。只是这时的CGD与其它阶段略有不同。栅极驱动总结：Vgs的各个阶段的时间跨度同栅极消耗电荷成比例（因△Q=IG△T，而IG在此处为恒流源之输出）。t0~t2跨度代表了Ciss（VGS+CGD）所消耗的电荷，对应于器件规格书中提供的参数Qgs(GatetoSourceCharge)。t2~t3跨度代表了CGD（或称为米勒电容）消耗的电荷，对应于器件规格书中提供的参数Qds(GatetoDrain(“Miller”)Charge)。在t3时刻前消耗的所有电荷就是驱动电压为Vdd、电流为Id的MOSFET所需要完全开通的昀少电荷需求量。t3以后消耗的额外电荷并不表示驱动所必须的电荷，只表示驱动电路提供的多余电荷而已--通常所加的驱动电压都会高于管子开通所需的昀低电压以获得更低的导通电阻RDS(on)以减小导通损耗。在应用上，人们更关注的是其整体的特性表现：根据电源谷网站文章整理总20页第１１页驱动电量要求：△Qt0~t4=(t4－t0)IG=VG（CGS+CGD）+VDDCGD驱动电流要求：IG=△Qt0~t4/(t4－t0)≈△Qt0~t3/(t3－t0)≈Qg/(Td(on)+