在开始讲解MOS的减速加速电路之前,我们还是先来回顾MOS开启与关闭的根本机制。以NMOS为例,开启NMOS本质是对G极进行充电,至Cgs电荷充满,G极才会达到控制端电平值或者开启阈值,关断NMOS时,GS电荷需要泄放,至电荷泄放完毕,G极才会达到GND或者关断阈值(传送门:MOS-1:MOS的寄生模型。对于PMOS,这个过程则反过来,对G极充电关断,G极放电开启。
第二点,需要理解MOS的开启与关断是一个动态的过程,持续关断或者开启期间视作稳态,控制端与G极电平相同,但开启与关断瞬间,控制端与G极的电平不同,G极的电平变化始终慢于控制端的电平变化,因此电平不同就会导致G极电流的流动,或流入G极或流出G极。
所以减速加速NMOS的根本机制就是:快速开启NMOS--->增大流入G极的电流;减速开启NMOS--->减小流入G极的电流;快速关断NMOS--->加速释放G极电荷;减速关断NMOS--->减速释放G极电荷(PMOS是一个逆过程)。
1.栅极电阻
因为栅极电阻直接控制了栅极电流的大小,所以开关速度随栅极电阻值大小而变化。
增加栅极电阻值会减慢MOSFET的开关速度,并增加其开关损耗。降低栅极电阻值会增加MOSFET的开关速度,但由于导线杂散电感等因素的影响,可能导致在其漏极和源极端子之间施加浪涌电压,因此有必要选择最佳的栅极电阻。
不同的栅极电阻可以用于MOSFET的不同的开启/关闭速度要求,图16-1是如何使用不同的栅极电阻来开启和关闭的一个示例。
图16-1:驱动和关闭NMOS的不同路径
开启NMOS时,电流经过R1从控制端流向G极,关闭NMOS时,电流经过R2从G极流向控制端,此时调整R1和R2的值就可以实现开启和关闭的某一个要求的速度差。
图16-2:栅极电阻的更多配置
图16-2示例了栅极电阻的另外两种用法,图16-2左导通时栅极电阻器:R1和R2并联,关断时的栅电阻器:R2,这样可以做到开启较快,关断较慢;图16-2右导通时栅极电阻:R1,关断时的栅极电阻:R1和R2并联,这样可以做到开启较慢,关断较快。
2.加速关断二极管
对于NMOS,关断电流比较大时,能使MOSFET输入电容放电速度更快,从而降低关断损耗。大的放电电流可以通过选择的低输出阻抗的MOSFET或电压器件来实现,最常用的就是如图16-3的加速二极管。
图16-3:加速二极管的使用示例
栅极关断时,电流在电阻R1上产生的压降大于二极管D1的导通压降,这时二极管会导通,从而将电阻进行旁路,随着电流的减小,二极管在电路中的作用越来越小。该电路作用会显著的减小MOSFET关断的延迟时间,但是这个电路有一定的缺点,那就是栅极的电流仍然需要流过IC内部的输出驱动阻抗。
3.PNP加速关断驱动电路
上面两节相对于无栅极电阻的开关速度还是偏慢,更快的关断方式则是主动“汲取”或者“灌入”电流。如图16-4使用PNP加速NMOS关断,开启时电流通过二极管D,关断时则利用PNP三极管主动从G极汲取电流。
图16-4:PNP加速NMOS关断
图16-5展示了PNP加速NMOS关断的动态过程电流流向。左图在控制端从低电平往高电平切换时,Vbe>0,Q2关断,充电电流从二极管D流入,Q1开启;右图在控制端从高电平往低电平切换时,G极电平不会瞬间变化,此时Vbe<-0.7V,Q2导通,Q2快速将电荷从G极汲取走,使G极电平快速下降,达到Q1快速关断的目的。
图16-5:PNP加速NMOS关断的动态过程
PNP加速关断电路是目前应用最多的电路,在加速三极管的作用下可以实现瞬间的栅源短路,从而达到最短的放电时间。之所以加二极管,一方面是保护三极管基极,另一方面是为导通电流提供回路及偏置。
该电路的优点为可以近似达到推拉的效果,加速效果明显。缺点是栅极由于经过两个PN节,不能使栅极真正的达到0V(GND),但电压很低,不影响NMOS的完全关断。
4.NPN加速关断驱动电路
图16-6是使用NPN加速PMOS关断的电路,关断时电流通过二极管D,导通时则利用NPN三极管主动往G极灌入电流。
图16-6:NPN加速PMOS关断
图16-7展示了NPN加速PMOS关断的动态过程电流流向。左图在控制端从高电平往低电平切换时,Vbe<0,Q1关断,放电电流从二极管D流出,Q2开启;右图在控制端从低电平往高电平切换时,G极电平不会瞬间变化,此时Vbe>0.7V,Q1导通,Q1快速将电荷从G极灌入,使G极电平快速上升,达到Q2快速关断的目的。
图16-7:NPN加速PMOS关断的动态过程
小结:
1:关于基极电阻的大小选择,这在前面其实已经提到过,不建议使用K级别的电阻,常用阻值在3.3Ω/10Ω/33欧姆等等。除非有很明确的需求,根据欧姆定律计算出基极电流,然后匹配充电时间。
2:而使用PNP和NPN的加速,使用小信号三极管即可,其参数取决于MOS的开启关断阈值,控制端的电平高低,ID基本都可以满足G极要求。
3:减速加速在高频信号调理,大功率多相电源时使用比较多。
4:以上几种电路使用Pspice进行仿真,可以直观的得到性能差异(后续会有Pspice仿真章节补充此项)。
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