高速MOS驅動應用指南詳解

高速MOS驅動應用指南

高速MOS驅動應用：雙極晶體管和場效應晶體管有著相同的工作原理。從根本上說,，兩種類型晶體管均是電荷控制元件，即它們的輸出電流和控制極半導體內的電荷量成比例。

當這些器件被用作開關時，兩者必須和低阻抗源極的拉電流和灌電流分開，用以為控制極電荷提供快速的注入和釋放。從這點看，MOS-FET在不斷的開關，當速度可以和雙極晶體管相比擬時，它被驅動的將十分的‘激烈’。

理論上講，雙極晶體管和MOSFET的開關速度是基本相同的，這取決與載流子穿過半導體所需的時間。在功率器件的典型值為20 ~ 200皮秒，但這個時間和器件的尺寸大小有關。與雙極結型晶體管相比，MOSFET在數字技術應用和功率應用上的普及和發展得益于它的兩個優點。

優點之一就是在高頻率開關應用中MOSFET使用比較方便。MOSFET更加容易被驅動，這是因為它的控制極和電流傳導區是隔離開的，因此不需要一個持續的電流來控制。一旦MOSFET導通后，它的驅動電流幾乎為0。

另外，在MOSFET中，控制電荷的積累和存留時間也大大的減小了。這基本解決了設計中導通電壓降（和多余的控制電荷成反比）和關斷時間之間的矛盾。因此，MOSFET技術以其更加簡單的、高效的驅動電路使它比晶體管設備具有更大的經濟效益。

高速MOS驅動應用：開關應用

我們來研究下MOSFET的真實開關行為。為了更好的理解其基本過程，電路中的寄生電感將會被忽略掉。隨后，它們在基本工作中各自的影響將會單獨的分析。

此外，下面的說明和鉗位感應開關有關，這因為大多數被用于電源模式的MOSFET晶體管和高速門驅動電路工作于那個模式。

一個最簡單的鉗位感應開關模型如圖三（Figure）所示, 直流電流源代表感應器。在開關間隔比較小的情況下，它的電流可看作是連續的。在MOSFET截止期間二極管為電流提供了一個回路，設備的漏極終端用一個電池來象征表示。

高速MOS驅動應用：導通過程

MOSFET的導通過程可分為如圖4（即Figure4）所示的四個階段。

第一個階段：輸入電容從0開始充電到Vth,在這個過程，柵極絕大部分電流都用來給電容CGS充電，也有很小的電流流過電容CGS。當電容CGS的電壓增加到門的極限時，它的電壓就會有稍微的減小。這個過程稱為導通延遲，這是因為此時器件的漏極電流和漏極電壓均未發生變化。

當柵極電壓達到開啟電壓時，MOSFET處于微導通狀態。在第二個階段，柵極電壓從Vth上升到Miller平坦區，即VGS,Miller。這是器件的線性工作區，電流和柵極電壓成正比。在柵極的一側，電流如第一階段一樣流入電容CGS和CGD，電容VGS的的電壓將會不斷升高。

在器件的輸出端，漏極電流也不斷變大，但是漏源電壓基本不變，保持先前水平(VDS,OFF)。這從圖3的原理圖可以看出來。當所有電流都流入MOSFET而且二極管完全截止（pn結能承受反向電壓）后，漏極電壓必須保持在輸出電壓水平。

進入導通過程的第三個階段，柵極電壓（VGS,Miller）已經足夠使漏極電流全部通過，而且整流二極管處于完全截止狀態。現在允許漏極電壓下降。在器件漏極電壓下降過程中，柵源電壓保持不變。

這就是柵極電壓波形的Miller平坦區。從驅動得到的可用的所有柵極電流通過電容CGD放電，這將加快漏源電壓變化。而漏極電流幾乎不變，這是由于此刻它受外部電路（即直流電流源）限制。

最后一個階段MOSFET溝道增強，處于完全導通狀態，這得益于柵極的電壓已經足夠高。最終的VGS電壓幅度將決定器件最終導通阻抗。因此，在第四個階段，電壓VGS從Miller平坦區增大到其最大值VDRV。

這由于電容CGS和CGD的充電完成，因此柵極電流被分成這兩部分。在這兩個電容充電過程中，漏極電流保持不變，漏源電壓也隨著導通阻抗的減小而慢慢的減小。

關斷過程

MOSFET的關斷過程恰好和它的導通過程相反。電壓VGS從圖3的VDRV開 始，電流從圖3的最大負載電流IDC開始。漏源電壓由MOSFET的電流IDC和導通阻抗決定。圖5完整的顯示了關斷的四個階段。

第一個階段是關斷延遲，這階段需要電容CISS從最初值電壓放電到Miller平坦區水平。這期間柵極電流由電容CISS提供，而且它流入MOSFET的電容CGS和CGD。器件的漏極電壓隨著過載電壓的減小而略微的增大。此階段漏極電流幾乎不變。

在第二個階段，管子的漏源電壓從IDC·RDS(On)增加到最終值（VDS(off)）,由圖3的原理圖可知它是由整流二極管強制決定的。在這一階段，即相當于柵極電壓波形的Miller平坦區，柵極電流完全是電容CGD的充電電流因為柵源電壓是不變的。這個電流由電源級的旁路電容提供而且它是從漏極電流減掉的。總的漏極電流仍然等于負載電流，也就是圖3直流電源表示的感應電流。

二極管的導通預示著第三個階段的開始，二極管給負載電流提供另一通路。 柵極電壓從VGS,Miller降到Vth。大部分的柵極電流來自于電容CGS，因為事實上電容CGD在前一個階段是充滿電的。

MOSFET處于線性工作區，而且柵源電壓的降低將會導致漏極電流的減小，在這個階段的最后漏極電流幾乎達到0。與此同時，由于整流二極管的正向偏置漏極電壓將維持在VDS(off)。

截止過程的最后一個階段是器件的輸入電容完全放電。電壓VGS進一步減小到0。占柵極電流較大比例部分的電流，和截止過程的第三階段一樣，由電容CGS提供。器件的漏極電流和漏極電壓保持不變。

綜合上述結論，可以總結為：在四個階段（無論是導通還是關斷）里，場效應晶體管可在最大阻抗和最小阻抗間變換。四個階段的時間是寄生電容、所需電壓變化、柵極驅動電流的函數。這就突出了在高速、高頻開關應用設計中器件選擇部分和柵極最適合工作條件的重要性。

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