(核心)MOSFET开关详细过程.pdf

TI Design And Application Guide for High Speed MOSFET Gate Drive Circuits 胡庄主 Jun, 2014 Abstract 本文主要目的是举例说明对于高速开关应用设计高性能门极驱动电路的系统方法. 对于解决大 多数设计中遇到的挑战来说也提供了许多 “one-stop-shopping”式的主题的汇集.因此,对于 所有层次的电子工程师来说都具有意义. 最流行的电路解决方案和它们的性能被分析,包括寄生参数的影响,暂态和极端条件下的运行条 件.针对MOSFET技术和开关运行从简单到复杂进行一步步地讨论. 对接地的设计技术,high side门极驱动电路,AC耦合以及变压器绝缘方法等进行了详细的描述. 对于同步整流应用的 MOSFETs驱动需求专门开辟章节进行分析. 本文还包括一些设计例子. I. Introduction MOSFET—是缩写(acronym) for Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, 它是高频,高效开关应用中的关键器件.也许令人惊奇,FET技术发明于1930,在bipolar transistor发明的20年前.信号级的FET晶体管出现在1950年代后期,而功率MOSFETs出现在1970 中期.数以百万计的MOSFET晶体管能够被集成在现代电子器件上,如微处理器. 本文关注的是在不同的开关模式转换器应用中功率MOSFET的驱动需求. II.MOSFET TECHNOLOGY The bipolar and the MOSFET transistors具有相同的工作原理.本质上说,两种晶体管均为电 荷控制型器件,意味着它们的输出电流与控制极半导体内的电荷量成比例. 当这些器件被用作开关时，两者必须和低阻抗源极的拉电流和灌电流分开，用以为控制极电荷 提供快速的注入和释放。 从这个观点来看,MOSFETs必须在开通和关断期间被驱动just as “hard”,理论上来说,双极型和 MOSFET具有相同的开关速度,取决于电荷载流子穿过半导体区域的时间需求. 功率器件的典型值为20-200 picoseconds,依赖于器件的size. 相比较BJT，MOSFET技术应用于数字和功率电路的流行和发展主要取决于其两个优点。 一个是MOSFET器件易于应用到高频开关应用中。MOSFET易于驱动，因为其控制极 （control electrode）与current conducting silicon隔离，因此驱动不需要连接导通的电 流。一旦MOSFET开通，其驱动电流实际上为0。同时，控制电荷和相应的存储时间也大大减 小。这基本消除了在导通状态压降（与excess control charge成反比）和关断时间之间的折 中。 因此，MOSFET技术相比较BJT允许使用更简单更有效的驱动电路，具有重要的经济利益 II.MOSFET TECHNOLOGY 此外，MOSFETs具有阻性特征，这一点对于功率应用中特别值得一提。MOSFET DS之间的压降是 半导体中流过电流的线性函数。这种线性关系通过Rds(on)参数来体现，也就是导通阻抗。对 于给定的Vgs和温度条件下，Rds(on)是个常量。 因为PN结具有-2.2mV/ºC 的温度系数， MOSFETs呈现出大约0.7%/°C to 1%/°C的正温度系数。 这种正温度系数特性使其成为高功率应用情况下需多个器件并联时的理想选择。 由于导通阻抗正的TC，并联的MOS趋向于均流。这种均流是自动形成的，由于正的TC类似于缓 慢的负反馈系统流过更大电流的MOS会更热（Vds是相等的）更高的温度导致Rds(on)增加 增加的Rds(on)导致电流下降温度最终下降。 最终并联的器件分担差不多的电流，达到平 衡。 在电流分配上，由于Rds(on)的初始误差和不同的 θja会导致很大的均流误差，可能高达30%。 II--A. Device Types 差不多所有的MOSFET制造商都会宣称他们对于制造 最好的MOSFETs有独门技术，但市场上可见的所有 MOS可以被分为以下三种类型，如图1所示。 Double-diffused MOS transistors于1970年度被提 出，之后数年持续发展。使用多晶硅门极结构， self-aligning processes, higher density integration and rapid reduction in capacitances became pos