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MOSFET結(jié)構(gòu)與主要參數(shù)等詳解-全面的MOSFET驅(qū)動技術(shù)剖析-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2018-12-19 

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MOSFET簡介  

MOSFET的全稱為:metal oxide semiconductor field-effect transistor,中文通常稱之為,金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場效晶體管.MOSFET最早出現(xiàn)在大概上世紀(jì)60年代,首先出現(xiàn)在模擬電路的應(yīng)用。功率MOSFET在上世紀(jì)80年代開始興起,在如今電力電子功率器件中,無疑成為了最重要的主角器件。


MOSFET的簡單模型

MOSFET,MOSFET驅(qū)動技術(shù)

MOSFET結(jié)構(gòu)

下圖是典型平面N溝道增強型NMOSFET的剖面圖。它用一塊P型硅半導(dǎo)體材料作襯底,在其面上擴散了兩個N型區(qū),再在上面覆蓋一層二氧化硅(SiO2)絕緣層,最后在N區(qū)上方用腐蝕的方法做成兩個孔,用金屬化的方法分別在絕緣層上及兩個孔內(nèi)做成三個電極:G(柵極)、S(源極)及D(漏極),如圖所示。


下圖中可以看出柵極G與漏極D及源極S是絕緣的,D與S之間有兩個PN結(jié)。一般情況下,襯底與源極在內(nèi)部連接在一起,這樣,相當(dāng)于D與S之間有一個PN結(jié)。


下圖是常見的N溝道增強型MOSFET的基本結(jié)構(gòu)圖。為了改善某些參數(shù)的特性,如提高工作電流、提高工作電壓、降低導(dǎo)通電阻、提高開關(guān)特性等有不同的結(jié)構(gòu)及工藝,構(gòu)成所謂VMOS、DMOS、TMOS等結(jié)構(gòu)。

MOSFET,MOSFET驅(qū)動技術(shù)


MOSFET的一些主要參數(shù)

耐壓:通常所說的VDS,或者說是擊穿電壓。那么一般MOS廠家是如何來定義這個參數(shù)的呢?

MOSFET,MOSFET驅(qū)動技術(shù)


上面這個例子顯示,當(dāng)驅(qū)動電壓為0,Vds達(dá)到200V的時候,Id這個電流達(dá)到了250uA,這個時候認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到擊穿電壓。


不同的廠家對此定義略有不同,但是基本上來說,當(dāng)電壓超過擊穿電壓,MOS的漏電流就會急劇上升。


導(dǎo)通電阻:MOSFET在導(dǎo)通之后,其特性可以近似認(rèn)為是一個電阻

MOSFET,MOSFET驅(qū)動技術(shù)


上面這個例子表示,在驅(qū)動電壓為10V的時候,導(dǎo)通電阻為0.18歐姆。


導(dǎo)通電阻的溫度關(guān)系:MOS的導(dǎo)通電阻隨溫度上升而上升,下圖顯示該MOS的導(dǎo)通電阻在結(jié)溫為140度的時候,為20度時候的2倍。

MOSFET,MOSFET驅(qū)動技術(shù)


導(dǎo)通閥值電壓:就是當(dāng)驅(qū)動電壓到達(dá)該值之后,可認(rèn)為MOS已經(jīng)開通。

MOSFET,MOSFET驅(qū)動技術(shù)


上面這個例子,可以看到當(dāng)Vgs達(dá)到2-4V的時候,MOS電流就上升到250uA。這時候可認(rèn)為MOS已經(jīng)開始開通。


驅(qū)動電壓和導(dǎo)通電阻,最大導(dǎo)通電流之間的關(guān)系


從下圖可以看到,驅(qū)動電壓越高,實際上導(dǎo)通電阻越小,而且最大導(dǎo)通電流也越大。

MOSFET,MOSFET驅(qū)動技術(shù)


導(dǎo)通閥值電壓隨溫度上升而下降。


MOSFET的寄生二極管

MOSFET,MOSFET驅(qū)動技術(shù)


寄生二極管比較重要的特性,就是反向恢復(fù)特性。這個在ZVS,同步整流等應(yīng)用中顯得尤為重要。


MOSFET的寄生電容

MOSFET,MOSFET驅(qū)動技術(shù)


這三個電容的定義如下:


MOS的寄生電容都是非線性電容,其容值和加在上面的電壓有關(guān)。所以一般的MOS廠家還會用另外一個參數(shù)來描述這個特性:

MOSFET,MOSFET驅(qū)動技術(shù)


MOS的寄生電容都是非線性電容,其容值和加在上面的電壓有關(guān)。所以一般的MOS廠家還會用另外一個參數(shù)來描述這個特性:

MOSFET,MOSFET驅(qū)動技術(shù)


MOSFET驅(qū)動技術(shù)

MOSFET驅(qū)動技術(shù),MOS雖然是電壓型驅(qū)動,但是由于寄生電容的存在,必須要求驅(qū)動電路提供一定的驅(qū)動電流。


較小的驅(qū)動電流,會導(dǎo)致MOS的GS電壓上升緩慢,降低了開關(guān)速度,提高了開關(guān)損耗。


米勒電容Cgd

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米勒電容雖然看起來很小,但是對驅(qū)動的影響很大,特別在VDS比較高的場合。但是在ZVS和同步整流等應(yīng)用中,由于VDS會在驅(qū)動上來之前,下降到零,就不存在這個問題。

MOSFET,MOSFET驅(qū)動技術(shù)


當(dāng)IC本身的驅(qū)動能力不足的時候,就需要外加驅(qū)動電路來增強驅(qū)動能力,以達(dá)到快速開關(guān)MOS的需求:


1.采用分立器件,比如圖騰柱。2.采用集成的驅(qū)動IC.


MOSFET的低端(low side)驅(qū)動:所謂低端驅(qū)動,就是驅(qū)動電路的參考地,就是MOS的S端。

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低端驅(qū)動,電路往往比較簡單,除了驅(qū)動能力之外,還是需要注意一些細(xì)節(jié)。

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MOSFET的高端(High Side)驅(qū)動:很多情況下,MOSFET的S極并不是IC的參考地,比如BUCK開關(guān)管,橋式電路的上管。

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自舉驅(qū)動,利用自舉電路,自動抬升供電電壓。自舉的驅(qū)動芯片種類很多,但是需要注意其耐壓。

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對于二極管整流的buck,自舉驅(qū)動需要注意的問題。

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利用變壓器隔離驅(qū)動:對于浮地的MOS,或者和IC隔離的MOS,通常可以采用變壓器隔離驅(qū)動。

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變壓器隔離驅(qū)動的關(guān)鍵:變壓器隔離驅(qū)動關(guān)鍵考慮的問題,就是變壓器的復(fù)位,比較常用是利用隔直電容來復(fù)位,但是需要注意的是,采用隔直電容之后,有可能變壓器傳遞的電壓幅度和占空比有關(guān)。需要考慮變壓器的變比。


對于跨初次級的驅(qū)動變壓器,還需要考慮其耐壓的問題。利用簡單倍壓電路來抬升驅(qū)動電壓。


下圖的驅(qū)動電路,可以傳遞大占空比的驅(qū)動信號,而且可以讓驅(qū)動電壓不下降。

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隔直電容帶來的問題:由于隔直電容會儲存能量,所以在驅(qū)動消失之后,隔直電容會和變壓器產(chǎn)生諧振,導(dǎo)致驅(qū)動電路傳遞錯誤的驅(qū)動信號。

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為了降低這個問題的影響。可以利用這些電阻來阻尼這個震蕩。

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對具有隔直電容的驅(qū)動電路,有些IC會植入soft stop的功能:在關(guān)機時候,讓驅(qū)動的占空比逐漸降低到0.

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為了避免這個隔直電容帶來的問題,可以采用無電容的變壓器驅(qū)動電路。

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如果用IC直接驅(qū)動變壓器,那么需要注意:

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同步整流驅(qū)動,需要注意邏輯的問題

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同步整流2個管子的驅(qū)動關(guān)系為互補,但是當(dāng)主管長時間關(guān)斷的時候,整流管就會出現(xiàn)長時間導(dǎo)通的情況。


所以在關(guān)機的時候,不能簡單的把主管驅(qū)動信號置低,而要同時把整流管的驅(qū)動信號也置低。

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MOS的并聯(lián)驅(qū)動,并聯(lián)驅(qū)動要盡量保證每個管子的驅(qū)動線對稱。

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