MOSFET,又称为绝缘栅型场效应晶体管,是一种电压控制电流的器件,广泛应用于开关电路中。其主要特点是栅极(G)具有极高的内阻。MOSFET可分为P型和N型两种类型,而由于P型场效应晶体管的跨导较小且阈值电压较高等原因,逐渐被N型MOSFET所取代。
同时,在实际工程中,我们只使用增强型P/NMOSFET,而不使用耗尽型。这是因为我们希望在初始阶段没有漏极电流存在。
寄生二极管
由于MOSFET本身的结构,源极和漏极之间会形成一个寄生二极管,判断其方向的方法是,NMOSFET从源极指向漏极,而PMOSFET则相反。这个寄生二极管可以防止当VDD过大时MOSFET击穿(寄生二极管会首先击穿,将高电压短路到地),也可以防止DS反接。(如上图所示)
GS寄生电容、并联电容和并联电阻
在MOSFET的真实模型中,各个极之间都存在寄生电容,但我们最关心的是GS之间的寄生电容Cgs,它会影响开关速度。我们可以很容易地理解,当瞬时电流较大时,我们能更快地充满Cgs,从而更快地打开MOSFET。
并联电容C1:①增加电容会导致开启时间变长,增加了开通损耗。原因是电容充电速度较慢,导致开启时间变慢。
②增加电容可以减少门极高频震荡。同时,由于米勒平台振荡减小,MOSFET在米勒平台期间的损耗也会相应减小。
这是我了解到的信息,对于H桥中低侧的MOS管来说,该电容起到了一定作用。在高功率情况下,当高端MOS管开启时,虽然下管的G极信号是关闭的,但由于DG之间的电容耦合效应,会产生一个较小的尖峰信号。当该信号幅值超过5V等阈值时,就会导致误开启该MOS管。如果持续时间足够长,将导致MOS管损坏,并使桥臂直通。加上GS之间的电容后,相对于DG之间的寄生电容较大,因此很难再产生明显的误开启信号,从而增强了电路的稳定性。然而,这也导致MOS管的充电速度变慢,对充电电流有更高的要求,因此需要进行综合权衡。
并联电阻R1:由于Cgs的存在,少量的静电就可以在GS之间产生巨大的电压,这个电压具有破坏性。通过并联电阻R1,可以将上述电荷释放掉,保护MOS管。同时,它还提供偏置电压。
由于MOS管具有栅极高输入阻抗的特性,即输入阻抗越大,则对电压源的负载越轻,因此更容易驱动且不会影响信号源。即使微小的静电或干扰也可能导致MOS管误导通,建议在MOS管的G极和S极之间并联一个10K的电阻,以降低输入阻抗,防止误导通。
栅极电阻/阻尼电阻
消除栅极振荡:由于驱动线路存在寄生电感,加上前面提到的GS之间的寄生电容,它们共同形成一个LC谐振电路,在外部激励信号的影响下会产生严重的振荡。串联一个电阻可以降低其Q值,使振荡迅速衰减。
驱动器功耗的转移。电容和电感只储存能量,不消耗能量。如果没有串联电阻,
驱动器大部分功率将在其内部消耗,导致温度升高,并无法传递到开关管上。
调整功率开关管的开关速度。若栅极电阻过大,开关速度将显著降低,这并非所期望的结果。然而,若栅极电阻过小,高开关速度会引发较大的电流电压变化率,带来强烈的干扰。因此,必须综合考虑,寻找平衡点。
接1:寄生电容Cgs和寄生电感之间的相互作用会产生一种高频振荡信号,如下图所示(Vgs波形)。
那么,我们如何计算该电阻值呢?
栅极二极管
调整这个元件可以改变MOS管的开启和关闭速度。
上面的二极管在脉冲下降沿时,起到了对栅极放电的作用,使场效应管能够快速截至,从而减少功耗。
下面的二极管的作用是防止当上桥迅速开启时,下桥的栅极电压由于耦合效应导致上下桥直通的现象。
接地电容
主要用于系统中提供瞬态电荷,抑制电流纹波和电压尖峰(由寄生电感引起)。
低值电容器可以快速提供一些电荷,而高值电容器可以持续向系统提供大量电荷,有助于减少电压振荡和尖峰现象。
漏极到源极的电容
选择约0.01uF-1uF的电容值,并将其尽可能靠近场效应管,以确保正常工作。
由于采样电阻的布局可能会引入寄生电感,导致不良的接地情况。使用该电容可以解决此问题,直接连接到BAT+和低压侧节点,采用交流接地的概念。
自举升压电路/自举储能电容
通过使用电解电容和二极管构成自举升压电路。
其作用是提高G点的电位,以保持MOS管的导通状态。
电容器在高压侧开关驱动器上形成浮动电源,在需要开启高压侧开关管时,为其提供驱动能量或驱动功率。
那么如何计算这个电容呢?
关键词:罗姆显示用驱动器