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MOSFET柵極電壓對電流的影響-MOSFET栅极应用电路深度剖析-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2018-12-08 

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MOSFET柵極簡介

MOSFET栅极,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。


MOSFET柵極常見電路

1:去除電路耦合進去的噪音,提高系統的可靠性。


2:加速MOSFET的導通,降低導通損耗。


3:加速MOSFET的關斷,降低關斷損耗。


4:降低MOSFET DI/DT,保护MOSFET同时抑制EMI干扰。


5:保護柵極,防止異常高壓條件下柵極擊穿。


6:增加驅動能力,在較小的信號下,可以驅動MOSFET。


(一)直接驅動

首先说一下电源IC直接驱动,下图是我们最常用的直接驱动方式,在这类方式中,我们由于驱动电路未做过多处理,因此我们进行PCB  LAYOUT时要尽量进行优化。如缩短IC至MOSFET的栅极走线长度,增加走线宽度,尽量将Rg放置在离MOSFET栅极较进的位置,从而达到减少寄生电感,消除噪音的目的。

MOSFET栅极


当然另一个问题我们得考虑,那就是PWM  CONTROLLER的驱动能力,当MOSFET较大时,IC驱动能力较小时,会出现驱动过慢,开关损耗过大甚至不能驱动的问题,这点我们在设计时需要注意。


(二)IC內部驅動能力不足時

當然,對于IC內部驅動能力不足的問題我們也可以采用下面的方法來解決。

MOSFET栅极


這種增加驅動能力的方式不僅增加了導通時間,還可以加速關斷時間,同時對控制毛刺及功率損耗由一定的效果。當然這個我們在LAYOUT時要盡量將這兩個管子放的離MOSFET柵極較近的位置。這樣做的好處還有減少了寄生電感,提高了電路的抗幹擾性。


(三)增加MOSFET的關斷速度

如果我們單單要增加MOSFET的關斷速度,那麽我們可以采用下面的方式來進行。

MOSFET栅极


關斷電流比較大時,能使MOSFET輸入電容放電速度更快,從而降低關斷損耗。大的放電電流可以通過選擇低輸出阻抗的MOSFET或N溝道的負的截止的電壓器件來實現,最常用的就是加加速二極管。

柵極關斷時,電流在電阻上産生的壓降大于二極管導通壓降時,這時二極管會導通,從而將電阻進行旁路,導通後,隨著電流的減小,二極管在電路中的作用越來越小,該電路作用會顯著的減小MOSFET關斷的延遲時間。


(四)PNP加速關斷驅動電路

PNP加速關斷電路是目前應用最多的電路,在加速三級管的作用下可以實現瞬間的柵源短路,從而達到最短的放電時間,之所以加二極管一方面是保護三級管基極,另一方面是爲導通電流提供回路及偏置,該電路的優點爲可以近似達到推拉的效果加速效果明顯,缺點爲柵極由于經過兩個PN節,不能是柵極真正的達到0伏。

MOSFET栅极


(五)當源極輸出爲高電壓時的驅動

當源極輸出爲高電壓的情況時,需要采用偏置電路達到電路工作的目的,既以源極爲參考點,搭建偏置電路,驅動電壓在兩個電壓之間波動,驅動電壓偏差由低電壓提供,如下圖所示。

MOSFET栅极


當然,這個圖有點問題,不知道大家看出來來了嗎?


其實問題就是“驅動電源”需要懸浮,下面就是正確的電路如,供各位參考。

MOSFET栅极


(六)滿足隔離要求的驅動

爲了滿足安全隔離的要求或者提供高端浮動柵極驅動經常會采用變壓器驅動。這種驅動將驅動控制和MOSFET進行了隔離,可以應用到低壓及高壓電路中去,如下圖所示

MOSFET栅极


變壓器驅動說白了就是隔離驅動,當然現在也有專門的驅動IC可以解決,但變壓器驅動有自己的特點使得很多人一直在堅持用。


圖中耦合電容的作用是爲磁化的磁芯提供複位電壓,如果沒有這個電容,會出現磁飽和。


與電容串聯的電阻的作用是爲了防止占空比突然變化形成LC的震蕩,因此加這個電阻進行緩解。


(七)自舉逆變圖

下面是一個實際的自舉逆變圖,供參考。

MOSFET栅极


MOSFET柵極電壓對電流的影響

MOSFET栅极


圖中顯示的是電子密度的變化。阈值電壓在0.45V左右。


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(如右图所示,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"。


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