深圳市可易亚半导体科技有限公司

國家高新企業

cn en

新聞中心

MOS管柵極-MOS管柵極驱动电阻如何设计与栅极检测-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2018-12-06 

分享到:

MOS管柵極

由金屬細絲組成的篩網狀或螺旋狀電極。多極電子管中排列在陽極和陰極之間的一個或多個具有細絲網或螺旋線形狀的電極,起控制陰極表面電場強度從而改變陰極發射電子或捕獲二次放射電子的作用。


場效應管根据三极管的原理开发出的新一代放大元件,有3个极性,栅极,漏极,源极,它的特点是栅极的内阻极高,采用二氧化硅材料的可以达到几百兆欧,属于电压控制型器件。场效应晶体管(FieldEffectTransistor缩写(FET))简称場效應管。由多数载流子参与导电,也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件。


MOS管的模型

MOS管的等效電路模型及寄生參數如圖1所示。圖1中各部分的物理意義爲:

(1)LG和LG代表封裝端到實際的柵極線路的電感和電阻。


(2)C1代表從柵極到源端N+間的電容,它的值是由結構所固定的。


(3)C2+C4代表從柵極到源極P區間的電容。C2是電介質電容,共值是固定的。而C4是由源極到漏極的耗盡區的大小決定,並隨柵極電壓的大小而改變。當柵極電壓從0升到開啓電壓UGS(th)時,C4使整個柵源電容增加10%~15%。


(4)C3+C5是由一個固定大小的電介質電容和一個可變電容構成,當漏極電壓改變極性時,其可變電容值變得相當大。


(5)C6是隨漏極電壓變換的漏源電容。

MOS管柵極



MOS管輸入電容(Ciss)、跨接電容(Crss)、輸出電容(Coss)和柵源電容、柵漏電容、漏源電容間的關系如下:

MOS管柵極


MOS管的開通過程

開關管的開關模式電路如圖2所示,二極管可是外接的或MOS管固有的。開關管在開通時的二極管電壓、電流波形如圖3所示。在圖3的階段1開關管關斷,開關電流爲零,此時二極管電流和電感電流相等;在階段2開關導通,開關電流上升,同時二極管電流下降。開關電流上升的斜率和二極管電流下降的斜率的絕對值相同,符號相反;


在階段3開關電流繼續上升,二極管電流繼續下降,並且二極管電流符號改變,由正轉到負;在階段4,二極管從負的反向最大電流IRRM開始減小,它們斜率的絕對值相等;在階段5開關管完全開通,二極管的反向恢複完成,開關管電流等于電感電流。

MOS管柵極


圖4是存儲電荷高或低的兩種二極管電流、電壓波形。從圖中可以看出存儲電荷少時,反向電壓的斜率大,並且會産生有害的振動。而前置電流低則存儲電荷少,即在空載或輕載時是最壞條件。所以進行優化驅動電路設計時應著重考慮前置電流低的情況,即空載或輕載的情況,應使這時二極管産生的振動在可接受範圍內。

MOS管柵極


MOS管柵極电荷QG和驱动效果的关系

MOS管柵極电荷QG是使栅极电压从0升到10V所需的栅极电荷,它可以表示为驱动电流值与开通时间之积或栅极电容值与栅极电压之积。现在大部分MOS管的栅极电荷QG值从几十纳库仑到一、两百纳库仑。


MOS管柵極电荷QG包含了两个部分:栅极到源极电荷QGS;栅极到漏极电荷QGD—即“Miller”电荷。QGS是使栅极电压从0升到门限值(约3V)所需电荷;QGD是漏极电压下降时克服“Miller”效应所需电荷,这存在于UGS曲线比较平坦的第二段(如图5所示),此时栅极电压不变、栅极电荷积聚而漏极电压急聚下降,也就是在这时候需要驱动尖峰电流限制,这由芯片内部完成或外接电阻完成。实际的QG还可以略大,以减小等效RON,但是太大也无益,所以10V到12V的驱动电压是比较合理的。这还包含一个重要的事实:需要一个高的尖峰电流以减小MOS管损耗和转换时间。

MOS管柵極


重要是的對于IC來說,MOS管的平均電容負荷並不是MOS管的輸入電容Ciss,而是等效輸入電容Ceff(Ceff=QG/UGS),即整個0<UGS<UGS(th)的等效電容,而Ciss只是UGS=0時的等效電容。


漏極電流在QG波形的QGD階段出現,該段漏極電壓依然很高,MOS管的損耗該段最大,並隨UDS的減小而減小。QGD的大部分用來減小UDS從關斷電壓到UGS(th)産生的“Miller”效應。QG波形第三段的等效負載電容是:

MOS管柵極


优化MOS管柵極驱动设计

在大多數的開關功率應用電路中,當柵極被驅動,開關導通時漏極電流上升的速度是漏極電壓下降速度的幾倍,這將造成功率損耗增加。爲了解決問題可以增加柵極驅動電流,但增加柵極驅動上升斜率又將帶來過沖、振蕩、EMI等問題。優化柵極驅動設計,正是在互相矛盾的要求中尋求一個平衡點,而這個平衡點就是開關導通時漏極電流上升的速度和漏極電壓下降速度相等這樣一種波形,理想的驅動波形如圖6所示。


圖6的UGS波形包括了這樣幾部分:UGS第一段是快速上升到門限電壓;UGS第二段是比較緩的上升速度以減慢漏極電流的上升速度,但此時的UGS也必須滿足所需的漏極電流值;UGS第四段快速上升使漏極電壓快速下降;UGS第五段是充電到最後的值。當然,要得到完全一樣的驅動波形是很困難的,但是可以得到一個大概的驅動電流波形,其上升時間等于理想的漏極電壓下降時間或漏極電流上升的時間,並且具有足夠的尖峰值來充電開關期間的較大等效電容。該柵極尖峰電流IP的計算是:電荷必須完全滿足開關時期的寄生電容所需。

MOS管柵極


應用實例

在筆者設計的48V50A電路中采用雙晶體管正激式變換電路,其開關管采用IXFH24N50,其參數爲:

MOS管柵極



根據如前所述,驅動電壓、電流的理想波形不應該是一條直線,而應該是如圖6所示的波形。實驗波形見圖7。

MOS管柵極


總結

本文詳細介紹了MOS管的電路模型、開關過程、輸入輸出電容、等效電容、電荷存儲等對MOS管驅動波形的影響,及根據這些參數對驅動波形的影響進行的驅動波形的優化設計實例,取得了較好的實際效果。


影响MOSFET开关速度除了其本身固有Tr,Tf外,还有一个重要的参数:Qg (栅极总静电荷容量).该参数与栅极驱动电路的输出内阻共同构成了一个时间参数,影响着MOSFET的性能(你主板的MOSFET的栅极驱动电路就集成在IRU3055这块PWM控制芯片内); r6 @0 k" S/ l3 }4 u, r/ W


厂家给出的Tr,Tf值,是在栅极驱动内阻小到可以忽略的情况下测出的,实际应用中就不一样了,特别是栅极驱动集成在PWM芯片中的电路,从PWM到MOSFET栅极的布线的宽度,长度,都会深刻影响MOSFET的性能.如果PWM的输出内阻本来就不低,加上MOS管的Qg又大,那么不论其Tr,Tf如何优秀,都可能会大大增加上升和下降的时间  。


偶认为,BUCK同步变换器中,高侧MOS管的Qg比RDS等其他参数更重要,另外,栅极驱动内阻与Qg的配合也很重要,一定 程度上就是由它的充电时间决定高侧MOSFET的开关速度和损耗..


看從哪個角度出發。電荷瀉放慢,說明時間常數大。時間常數是Ciss與Rgs的乘積。柵源極絕緣電阻大,說明制造工藝控制較好,材料、芯片和管殼封裝的表面雜質少,漏電少。時間常數大,柵源極等效輸入電容也大。柵源極等效輸入電容,與管芯尺寸成正比並與管芯設計有關。通常,管芯尺寸大,Ron(導通電阻)小、跨導(增益)大。柵源極等效電容大,會增加開關時間、降低開關性能、降低工作速度、增加功率損耗。Ciss與電荷注入率成正比,可能還與外加電壓有關並具有非線性等。以上,均是在相同條件下的對比。從應用角度出發,同等價格,多數設計希望選用3個等效電容(包括Ciss)小的器件。Ciss=Cgd+Cgs,充放電時間上也有先後,先是Cgs充滿,然後是Cgd。


MOS管柵極电压对电流的影响

MOS管柵極

電子密度的變化


FET通過影響導電溝道的尺寸和形狀,控制從源到漏的電子流(或者空穴流)。溝道是由(是否)加在柵極和源極的電壓而創造和影響的(爲了討論的簡便,這默認體和源極是相連的)。導電溝道是從源極到漏極的電子流。


耗盡模式

在一个n沟道"耗盡模式"器件,一个负的栅源电压将造成一个耗尽区去拓展宽度,自边界侵占沟道,使沟道变窄。如果耗尽区扩展至完全关闭沟道,源极和漏极之间沟道的电阻将会变得很大,FET就会像开关一样有效的关闭(如右图所示,当栅极电压很低时,导电沟道几乎不存在)。类似的,一个正的栅源电压将增大沟道尺寸,而使电子更易流过(如上图所示,当栅极电压足够高时,沟道导通)。


增強模式

相反的,在一个n沟道"增強模式"器件中,一个正的栅源电压是制造导电沟道所必需的,因为它不可能在晶体管中自然的存在。正电压吸引了体中的自由移动的电子向栅极运动,形成了导电沟道。但是首先,充足的电子需要被吸引到栅极的附近区域去对抗加在FET中的掺杂离子;这形成了一个没有运动载流子的被称为耗尽区的区域,这种现象被称为FET的阈值电压。更高的栅源电压将会吸引更多的电子通过栅极,则会制造一个从源极到漏极的导电沟道;这个过程叫做"反型"。


MOS管柵極检测方法

1.准備工作測量之前,先把人體對地短路後,才能摸觸MOSFET的管腳。最好在手腕上接一條導線與大地連通,使人體與大地保持等電位。再把管腳分開,然後拆掉導線。


2.判定電極將萬用表撥于R×100檔,首先確定柵極。若某腳與其它腳的電阻都是無窮大,證明此腳就是柵極G。交換表筆重測量,S-D之間的電阻值應爲幾百歐至幾千歐,其中阻值較小的那一次,黑表筆接的爲D極,紅表筆接的是S極。日本生産的3SK系列産品,S極與管殼接通,據此很容易確定S極。


電子管柵極的檢測:

1.以額定電壓點亮燈絲並預熱數十秒。


2.萬用表置于Rx100檔,以黑表筆接觸柵極,紅表筆接觸陰極。如果出現一個穩定的示數,則證明電子管基本是正常的。相同條件下同新管測得的數值進行比較可以大致得出管子的老化程度。


聯系方式:鄒先生

聯系電話:0755-83888366-8022

手機:18123972950

QQ:2880195519

聯系地址:深圳市福田區車公廟天安數碼城天吉大廈CD座5C1


請搜微信公衆號:“KIA半導體”或掃一掃下圖“關注”官方微信公衆號

请“关注”官方微信公众号:提供 MOS管 技术帮助