mosfet栅极驱动的优化设计

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1、万方数据通信电源技术Tel即omPowerT即hsologles2002年8月第4期开关电源。MOSFET栅极驱动的优化设计GateDrive％timizationforMOSFET杨汝+朱红萍‘‘YangRu，ZhuHongping*广州大学510405广州**湘潭工学院411201湘潭*GuangzhouUniversity+*XiangtanCollageofTechnology摘要介绍了MOS管的电路模型、开关过程、输入输出电容、等效电容、电荷存储，及其对MOS管驱动波形的影响和驱动波形的优化设计实例。关键词栅极驱动栅极电荷密勒效应分类号TN868AbstractTheart

2、icleintrducesthecircuitrymodelofMOSFET，theprocessofturnon—off，outputcapacitances，inputcapacitances，effectivecapacitances，capacitancesstoragewhichharinginfluenceontheMOSFET’sdrivewaveform．Atlastthearticlegivesanexampleofgatedriveoptimization．Keywordsgatedrive，gatecharge，MiUereffect1概述MOS管的驱动对其工作

3、效果起着决定性的作用。设计师既要考虑减少开关损耗，又要求驱动波形较好即振荡小、过冲小、EMI小。这两方面往往是互相矛盾的，需要寻求一个平衡点，即驱动电路的优化设计。驱动电路的优化设计包含两部分内容：一是最优的驱动电流、电压的波形；二是最优的驱动电压、电流的大小。在进行驱动电路优化设计之前，必须先清楚MOS管的模型、MOS管的开关过程、MOS管的栅极电荷以及MOS管的输入输出电容、跨接电容、等效电容等参数对驱动的影响。2MOS管的模型MOS管的等效电路模型及寄生参数如图1所示。图1中各部分的物理意义为：(1)Lc和Rc代表封装端到实际的栅极线路的电感和电阻。(2)c。代表从栅极到源端N

4、+问的电容，它2002—04—18收稿的值是由结构所固定的。(3)C2+C4代表从栅极到源极P区间的电容。C2是电介质电容，其值是固定的。而C。是由源极到漏极的耗尽区的大小决定，并随栅极电压的大小而改变。当栅极电压从0升到开启电压UGS(th)时，C4使整个栅源电容增加10％～15％。(4)C，+C，是由一个固定大小的电介质电容和一个可变电容构成，当漏极电压改变极性时，其可变电容值变得相当大。(5)C。是随漏极电压变换的漏源电容。围1MOS管的等效电路模型MOS管输入电容(Cis

5、)、跨接电容(c。)、输出电容(c。)和栅源电容、栅漏电容、漏源电容间的关系如下：万方数据第4期杨汝朱红

6、萍MOSFET栅极驱动的优化设计C．。=CGS+Ccl)一C1+C4+C5Cm=CGD2C5C㈣=CDS+CcD—C5+C63MOS管的开通过程开关管的开关模式电路如图2所示，二极管可以是外接的或MOS管固有的。开关管在开通时的二极管电压、电流波形如图3所示。在图3的阶段1开关管关断，开关电流为零，此时二极管电流和电感电流相等；在阶段2开关导通，开关电流上升，同时二极管电流下降。开关电流上升的斜率和二极管电流下降的斜率的绝对值相同，符号相反；在阶段3开关电流继续上升，二极管电流继续下降，并且二极管电流符号改变，由正转到负；在阶段4，二极管从负的反向最大电流JHRM开始减小，开关管从正

7、的最大电流也开始减小，它们斜率的绝对值相等；在阶段5开关管完全开通，二极管的反向恢复完成，开关管电流等于电感电流。图2通用的开关模式电路=默一一**日№*咿’。雠0圈3开通时二极管电压电流波形图4是存储电荷高或低的两种二极管电流、电压波形。从图中可以看出存储电荷少时，反向电压的斜率大，并且会产生有害的振动。而前置电流低则存储电荷少，即在空载或轻载时是最坏条件。所以进行优化驱动电路设计时应着重考虑前置电流低的情况，即空载或轻载的情况，应使这时二极管产生的振动在可接受范围内。围4两种二极管反向恢复的波形4栅极电荷Q。和驱动效果的关系栅极电荷Q。是使栅极电压从0升到lov所需的栅极电荷，它

8、可以表示为驱动电流值与开通时间之积或栅极电容值与栅极电压之积。现在大部分Mos管的栅极电荷Q。值从几十纳库仑到一、两百纳库仑。栅极电荷Q。包含了两个部分：栅极到源极电荷QGs；栅极到漏极电荷QGD——即“Miller”电荷。Qcs是使栅极电压从0升到门限值(约3v)所需电荷；Q。。是漏极电压下降时克服“Miller”效应所需电荷，这存在于UGs曲线比较平坦的第二段(如图5所示)，此时栅极电压不变、栅极电荷积聚而漏极电压急剧下降，也就是在这时候需要驱动尖峰电