全面分析MOSFET柵極應(yīng)用電路?及其作用詳解-柵極電壓對(duì)MOS管的影響-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2019-01-16
在看MOSFET柵極應(yīng)用電路前，我們了解一下MOSFET柵極根據(jù)三極管的原理開(kāi)發(fā)出的新一代放大元件，有3個(gè)極性，柵極，漏極，源極，它的特點(diǎn)是柵極的內(nèi)阻極高，采用二氧化硅材料的可以達(dá)到幾百兆歐，屬于電壓控制型器件。場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FieldEffectTransistor縮寫(xiě)(FET)）簡(jiǎn)稱(chēng)場(chǎng)效應(yīng)管。由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，也稱(chēng)為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件。
FET通過(guò)影響導(dǎo)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(chuàng)造和影響的（為了討論的簡(jiǎn)便，這默認(rèn)體和源極是相連的）。導(dǎo)電溝道是從源極到漏極的電子流。
耗盡模式
在一個(gè)n溝道"耗盡模式"器件，一個(gè)負(fù)的柵源電壓將造成一個(gè)耗盡區(qū)去拓展寬度，自邊界侵占溝道，使溝道變窄。如果耗盡區(qū)擴(kuò)展至完全關(guān)閉溝道，源極和漏極之間溝道的電阻將會(huì)變得很大，F(xiàn)ET就會(huì)像開(kāi)關(guān)一樣有效的關(guān)閉（如右圖所示，當(dāng)柵極電壓很低時(shí)，導(dǎo)電溝道幾乎不存在）。類(lèi)似的，一個(gè)正的柵源電壓將增大溝道尺寸，而使電子更易流過(guò)（如右圖所示，當(dāng)柵極電壓足夠高時(shí)，溝道導(dǎo)通）。
增強(qiáng)模式
相反的，在一個(gè)n溝道"增強(qiáng)模式"器件中，一個(gè)正的柵源電壓是制造導(dǎo)電溝道所必需的，因?yàn)樗豢赡茉诰w管中自然的存在。正電壓吸引了體中的自由移動(dòng)的電子向柵極運(yùn)動(dòng)，形成了導(dǎo)電溝道。但是首先，充足的電子需要被吸引到柵極的附近區(qū)域去對(duì)抗加在FET中的摻雜離子；這形成了一個(gè)沒(méi)有運(yùn)動(dòng)載流子的被稱(chēng)為耗盡區(qū)的區(qū)域，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為FET的閾值電壓。更高的柵源電壓將會(huì)吸引更多的電子通過(guò)柵極，則會(huì)制造一個(gè)從源極到漏極的導(dǎo)電溝道；這個(gè)過(guò)程叫做"反型"。
1:去除電路耦合進(jìn)去的噪音，提高系統(tǒng)的可靠性。
2：加速M(fèi)OSFET的導(dǎo)通，降低導(dǎo)通損耗。
3：加速M(fèi)OSFET的關(guān)斷，降低關(guān)斷損耗。
4：降低MOSFET DI/DT，保護(hù)MOSFET同時(shí)抑制EMI干擾。
5：保護(hù)柵極，防止異常高壓條件下柵極擊穿。
6：增加驅(qū)動(dòng)能力，在較小的信號(hào)下，可以驅(qū)動(dòng)MOSFET。
首先說(shuō)一下電源IC直接驅(qū)動(dòng)，下圖是我們最常用的直接驅(qū)動(dòng)方式，在這類(lèi)方式中，我們由于驅(qū)動(dòng)電路未做過(guò)多處理，因此我們進(jìn)行PCB LAYOUT時(shí)要盡量進(jìn)行優(yōu)化。如縮短IC至MOSFET的柵極走線(xiàn)長(zhǎng)度，增加走線(xiàn)寬度，盡量將Rg放置在離MOSFET柵極較進(jìn)的位置，從而達(dá)到減少寄生電感，消除噪音的目的.
首先說(shuō)一下電源IC直接驅(qū)動(dòng)，下圖是我們最常用的直接驅(qū)動(dòng)方式，在這類(lèi)方式中，我們由于驅(qū)動(dòng)電路未做過(guò)多處理，因此我們進(jìn)行PCB LAYOUT時(shí)要盡量進(jìn)行優(yōu)化。如縮短IC至MOSFET的柵極走線(xiàn)長(zhǎng)度，增加走線(xiàn)寬度，盡量將Rg放置在離MOSFET柵極較進(jìn)的位置，從而達(dá)到減少寄生電感，消除噪音的目的。
當(dāng)然另一個(gè)問(wèn)題我們得考慮，那就是PWM CONTROLLER的驅(qū)動(dòng)能力，當(dāng)MOSFET較大時(shí)，IC驅(qū)動(dòng)能力較小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)過(guò)慢，開(kāi)關(guān)損耗過(guò)大甚至不能驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題，這點(diǎn)我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)需要注意。
當(dāng)然，對(duì)于IC內(nèi)部驅(qū)動(dòng)能力不足的問(wèn)題我們也可以采用下面的方法來(lái)解決。
這種增加驅(qū)動(dòng)能力的方式不僅增加了導(dǎo)通時(shí)間，還可以加速關(guān)斷時(shí)間，同時(shí)對(duì)控制毛刺及功率損耗由一定的效果。當(dāng)然這個(gè)我們?cè)贚AYOUT時(shí)要盡量將這兩個(gè)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，提高了電路的抗干擾性。
如果我們單單要增加MOSFET的關(guān)斷速度，那么我們可以采用下面的方式來(lái)進(jìn)行。
關(guān)斷電流比較大時(shí)，能使MOSFET輸入電容放電速度更快，從而降低關(guān)斷損耗。大的放電電流可以通過(guò)選擇低輸出阻抗的MOSFET或N溝道的負(fù)的截止的電壓器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，最常用的就是加加速二極管。
柵極關(guān)斷時(shí)，電流在電阻上產(chǎn)生的壓降大于二極管導(dǎo)通壓降時(shí)，這時(shí)二極管會(huì)導(dǎo)通，從而將電阻進(jìn)行旁路，導(dǎo)通后，隨著電流的減小，二極管在電路中的作用越來(lái)越小，該電路作用會(huì)顯著的減小MOSFET關(guān)斷的延遲時(shí)間。
當(dāng)然這個(gè)電路有一定的缺點(diǎn)，那就是柵極的電流仍然需要留過(guò)IC內(nèi)部的輸出驅(qū)動(dòng)阻抗，這有什么辦法解決呢？下面來(lái)講講PNP加速關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路。
PNP加速關(guān)斷電路
PNP加速關(guān)斷電路是目前應(yīng)用最多的電路，在加速三級(jí)管的作用下可以實(shí)現(xiàn)瞬間的柵源短路，從而達(dá)到最短的放電時(shí)間，之所以加二極管一方面是保護(hù)三級(jí)管基極，另一方面是為導(dǎo)通電流提供回路及偏置，該電路的優(yōu)點(diǎn)為可以近似達(dá)到推拉的效果加速效果明顯，缺點(diǎn)為柵極由于經(jīng)過(guò)兩個(gè)PN節(jié)，不能是柵極真正的達(dá)到0伏。
當(dāng)源極輸出為高電壓的情況時(shí)，我們需要采用偏置電路達(dá)到電路工作的目的，既我們以源極為參考點(diǎn)，搭建偏置電路，驅(qū)動(dòng)電壓在兩個(gè)電壓之間波動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電壓偏差由低電壓提供，如下圖所示。
當(dāng)然，這個(gè)圖有點(diǎn)問(wèn)題，其實(shí)問(wèn)題就是“驅(qū)動(dòng)電源”需要懸浮，要以MOS的源極共“地（給大家加深印象）
下圖是正確的圖紙。供各位參考
為了滿(mǎn)足安全隔離的要求或者提供高端浮動(dòng)?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)經(jīng)常會(huì)采用變壓器驅(qū)動(dòng)。這種驅(qū)動(dòng)將驅(qū)動(dòng)控制和MOSFET進(jìn)行了隔離，可以應(yīng)用到低壓及高壓電路中去，如下圖所示
變壓器驅(qū)動(dòng)說(shuō)白了就是隔離驅(qū)動(dòng)，當(dāng)然現(xiàn)在也有專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)IC可以解決，但變壓器驅(qū)動(dòng)有自己的特點(diǎn)使得很多人一直在堅(jiān)持用。
圖中耦合電容的作用是為磁化的磁芯提供復(fù)位電壓，如果沒(méi)有這個(gè)電容，會(huì)出現(xiàn)磁飽和。
與電容串聯(lián)的電阻的作用是為了防止占空比突然變化形成LC的震蕩，因此加這個(gè)電阻進(jìn)行緩解。
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