你的位置:首頁(yè) > 電路保護(hù) > 正文

開關(guān)功率晶體管的選擇和正確操作

發(fā)布時(shí)間:2024-07-25 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】當(dāng)晶體管從 OFF 切換到 ON 或從 ON 切換到 OFF 時(shí),晶體管將跨越其線性區(qū)域。由于 MOSFET 和 JFET 的跨導(dǎo)非常高,漏極和柵極之間的電容將成倍增加。因此,驅(qū)動(dòng)器在跨越線性區(qū)域時(shí)將承受嚴(yán)重負(fù)載,這會(huì)導(dǎo)致柵極電壓保持在穩(wěn)定狀態(tài)。


Si MOSFET 正常工作的驅(qū)動(dòng)電路。

關(guān)于制造商的應(yīng)用說明和電路圖的一般性說明:除少數(shù)例外,這些都不適合任何系列生產(chǎn)。

基本上,驅(qū)動(dòng)電路必須對(duì)柵極輸入電容進(jìn)行充電和放電,但這不是恒定的。

當(dāng)晶體管從 OFF 切換到 ON 或從 ON 切換到 OFF 時(shí),晶體管將跨越其線性區(qū)域。由于 MOSFET 和 JFET 的跨導(dǎo)非常高,漏極和柵極之間的電容將成倍增加。因此,驅(qū)動(dòng)器在跨越線性區(qū)域時(shí)將承受嚴(yán)重負(fù)載,這會(huì)導(dǎo)致柵極電壓保持在穩(wěn)定狀態(tài)。因此,除非驅(qū)動(dòng)器可以提供幾安培的電流,否則開關(guān)速度將大大減慢。如此強(qiáng)大的輸出級(jí)需要大型、昂貴的芯片,尤其是 CMOS 芯片。

任何開關(guān)速度的比較都是沒有意義的,除非同時(shí)考慮驅(qū)動(dòng)器。通常需要與柵極串聯(lián)一個(gè)電阻,這決定了導(dǎo)通速度。它必須與一個(gè)快速二極管并聯(lián),1 N 4150(不是 4148)足以滿足大多數(shù)中型 MOSFET 的要求。需要這個(gè)二極管有兩個(gè)原因:它可以防止在關(guān)斷期間電阻上積累過高的電壓,并且可以加快關(guān)斷速度。足夠強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)器可以提供幾安培的電流和低值柵極電阻,從而限度地縮短開關(guān)時(shí)間。

如上所述,短開關(guān)時(shí)間不僅是一個(gè)優(yōu)勢(shì):它們可以減少開關(guān)損耗,而且會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的 EMI,變壓器等中的隔離材料會(huì)承受更高的介電應(yīng)力。這并不總是會(huì)導(dǎo)致立即失效,但所有隔離材料的壽命都有限,這取決于工作溫度和介電應(yīng)力,介電應(yīng)力由工作頻率和 dv/dt 決定。在 100 kHz 時(shí),標(biāo)準(zhǔn)聚酯箔所需的電壓僅為 50 Hz 時(shí)所需電壓的 1/10。在贊揚(yáng)快速開關(guān)時(shí),很少提到這一點(diǎn)。例如,請(qǐng)參見三層絕緣電線的壽命曲線。

5.1 常規(guī)驅(qū)動(dòng)程序

理想的輸出級(jí)是低阻抗 CMOS 驅(qū)動(dòng)器,它還將柵極鉗位在接地和 Vcc 上。由于驅(qū)動(dòng)器的其他電路大多是雙極的,因此需要 BICMOS 芯片。因此,大多數(shù)驅(qū)動(dòng)器都是低成本的雙極型,并具有準(zhǔn)互補(bǔ) NPN 輸出級(jí),其缺點(diǎn)是既不能拉到接地也不能拉到 Vcc,??拉到 + 1 V 和 Vcc - 1 V。Si 功率 MOSFET 的閾值通常為 2 V,有些甚至低至 1 V,因此必須從柵極到接地連接一個(gè)電阻。在開啟時(shí),只要上電平 > 10 V,就不太重要。超過 12 V 是不必要的,只會(huì)注入多余的柵極電荷,這些電荷在關(guān)閉時(shí)會(huì)被去除。

如果接地阻抗和電源阻抗過高,漏電流很容易使 MOSFET 導(dǎo)通,需要考慮工作 Tj 時(shí)的漏電流。實(shí)際上,該電阻應(yīng)小于 100 K,更接近 10 K。另一個(gè)經(jīng)常被忽視的原因是:所有驅(qū)動(dòng)器 IC 都需要一個(gè) Vcc 才能工作,低于此電壓時(shí),柵極輸出保持高阻抗,因此柵極開路!忽略漏電流可能導(dǎo)致寄生導(dǎo)通,從而導(dǎo)致?lián)p耗增加,甚至因熱失控而損壞。

如果驅(qū)動(dòng)器的輸出級(jí)太弱,則可以使用互補(bǔ)射極跟隨器,通常 BC 330-40/BC 327-40 就足夠了。

5.2 米勒效應(yīng)和共源共柵

兩者均源自模擬高頻放大器電路,并且已為人所知數(shù)十年;脈沖電路只是過載放大器。

圖 5.1 顯示了任意形狀的放大器,其增益為 v,輸出 A 和輸入 E 之間的電容為 CAE。放大器是否僅由一個(gè)晶體管組成,或者是否有任意數(shù)量的級(jí),都無關(guān)緊要。此外,它是否是反相的,也無關(guān)緊要。在任何情況下,輸出和輸入之間的電容都會(huì)看到差分電壓 v In - v out。這與存在有效輸入電容 C equ.(“米勒電容”)具有相同的效果。請(qǐng)注意,這種影響僅在放大器通電時(shí)才會(huì)出現(xiàn);然后可以用電容表測(cè)量。放大器必須處于其線性范圍內(nèi),當(dāng)放大器過驅(qū)動(dòng)時(shí),由于增益變?yōu)榱?,這種影響會(huì)消失。

Cequiv = C 輸出至輸入 (1 - v)。

開關(guān)功率晶體管的選擇和正確操作圖 5.1:米勒效應(yīng)是如何產(chǎn)生的。


增益 v 必須帶有符號(hào)。

請(qǐng)注意,C equiv可能高于或低于實(shí)際的 C 輸出到輸入,具體取決于 v 的符號(hào)!一個(gè)重要的實(shí)際情況是理想 v = + 1 的發(fā)射極或源極跟隨器;此時(shí) C equiv = 0,C 輸出到輸入的兩端看到相同的信號(hào),因此沒有信號(hào)電流,C 的值可以是任意的。另一種表達(dá)方式是說這個(gè)電容的兩端都是自舉的

任何脈沖電路都會(huì)受到米勒效應(yīng)的影響,因?yàn)殚_關(guān)器件必須從開到關(guān),反之亦然,穿過其線性區(qū)域。MOSFET 具有非常高的跨導(dǎo),因此米勒效應(yīng)會(huì)很明顯。在晶體管進(jìn)入其線性范圍的那一刻,驅(qū)動(dòng)器將加載相當(dāng)高的電容,因此輸入波形將呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài),直到晶體管離開其線性范圍。為了實(shí)現(xiàn)更快的切換,需要高驅(qū)動(dòng)電流,這需要昂貴的驅(qū)動(dòng)器。在寬帶放大器電路中,米勒效應(yīng)可以得到補(bǔ)償,但在脈沖電路中則不可能。可能的是盡量減少外部輸出到輸入電容,由于晶體管外殼很小,輸入和輸出之間的有效屏蔽幾乎不可能,而共源共柵解決了這個(gè)問題。除非還考慮驅(qū)動(dòng)電路,否則不同晶體管之間的切換時(shí)間比較毫無意義!請(qǐng)注意,不可能將過多的輸入電流饋入開關(guān)晶體管,因?yàn)檫@些電流必須由晶體管的輸出吸收或產(chǎn)生。

共源共柵電路是高頻電子管放大器中常見的理想開關(guān)。其名稱由“五極管”和“級(jí)聯(lián)”組合而成。它由兩個(gè)串聯(lián)的放大器組成,如圖 5.2 所示。共源共柵電路數(shù)量眾多,電子管、雙極管、MOSFET 和 JFET 的任意組合都是可行的。包括所謂的折疊共源共柵電路;它們由極性相反的晶體管組成,因此輸入和輸出可以處于任意電位,而且兩個(gè)晶體管都可以以不同的電流工作。放大器 IC 內(nèi)部的共源共柵電路是標(biāo)準(zhǔn)的。


開關(guān)功率晶體管的選擇和正確操作


圖 5.2:共源共柵的眾多實(shí)現(xiàn)之一,這里是標(biāo)準(zhǔn) n 通道低壓 MOSFET 和 JFET(特別是 GaN 或 SiC JFET)的良好組合。這種組合不需要輔助柵極電壓。MOSFET 的本征二極管用于橋式電路,其中電流也必須反向流動(dòng)。JFET 可雙向傳遞電流。市場(chǎng)上的大多數(shù) GaN 和 SiC JFET 都以共源共柵形式出現(xiàn)。

標(biāo)準(zhǔn)級(jí)聯(lián)電路由一個(gè) LV N 溝道 MOSFET 和另一個(gè) MOSFET 組成,前者源極接地,后者柵極接地(交流)。前者饋入后者的源極;因此,它是接地源極級(jí)和接地柵極級(jí)的組合。

理想情況下,晶體管具有無限的輸入和輸出阻抗,即其漏極輸出是電流發(fā)生器。理想情況下,晶體管具有無限的跨導(dǎo),這意味著其源極輸入阻抗為零,即源極輸入是虛擬交流接地,即電流接收器。從下部晶體管漏極流出的交流電流進(jìn)入源極并從上部晶體管漏極流出。這會(huì)產(chǎn)生一系列后果:

1. 除了圖 5.2 所示的共源共柵類型外,共源共柵需要為上晶體管提供輔助柵極電壓,通常為 +12 V。如果下晶體管導(dǎo)通,它會(huì)自動(dòng)在上晶體管的柵極和源極之間施加 12 V 電壓。請(qǐng)注意,JFET 在柵極電壓為零時(shí)完全導(dǎo)通。如果驅(qū)動(dòng)下晶體管的輸入 = 柵極,則上晶體管 (JFET) 的源極將被拉至零,因此柵極和源極之間的電壓變?yōu)榱?。上晶體管的柵極 - 源極電容由下晶體管極低 (毫歐) 的 Rdson 放電。如果下晶體管關(guān)閉,上晶體管的交流源電流會(huì)快速對(duì)節(jié)點(diǎn)下漏極-上源極處的電容充電,直到此節(jié)點(diǎn)處的電壓達(dá)到上晶體管的夾斷電壓,從而將其關(guān)閉。電壓擺幅僅在零和 V夾斷之間,即 < 20 V,因此小型 LV MOSFET 就足夠了。實(shí)際上,此節(jié)點(diǎn)需要齊納二極管來限制切換期間的電壓。將單個(gè) Coolmos 轉(zhuǎn)換為共源共柵的額外成本很小。

2. 由于源極(作為輸入)的阻抗為零,因此下級(jí)漏極沒有交流電壓,因此不存在米勒效應(yīng)。共源共柵的輸入電容盡可能低,僅由柵極-漏極和柵極-源極電容之和組成。共源共柵是容易驅(qū)動(dòng)的開關(guān)。這也是它如此之快的原因之一。

3. 下晶體管的漏極和上晶體管的源極之間的連接并不重要,因?yàn)闆]有交流電壓,信號(hào)是純電流,接地電容沒有交流電壓,不會(huì)影響開關(guān)。因此,兩個(gè)晶體管可以分開設(shè)置,這樣就可以化輸出到輸入的關(guān)鍵電容,以避免“米勒效應(yīng)”。這將是有害的,因?yàn)榧?jí)聯(lián)的增益是中可實(shí)現(xiàn)的增益,它只是下晶體管的跨導(dǎo)乘以級(jí)聯(lián)的負(fù)載阻抗的乘積。上晶體管在其源極中看到下晶體管的輸出阻抗;這是無限的,因?yàn)樗且粋€(gè) lv mosfet。因此,即使上晶體管是具有相當(dāng)?shù)洼敵鲎杩沟?JFET,其漏極 = 級(jí)聯(lián)輸出處的輸出阻抗實(shí)際上是無限的。因此,非常高的負(fù)載阻抗(在放大器中)和幾千的增益是可能的。然而,互連的電感是至關(guān)重要的。級(jí)聯(lián)的電路板布局是一個(gè)挑戰(zhàn)。這是一個(gè) GHz 電路,對(duì)應(yīng) ns 開關(guān)。即使是 360 V 等離線電壓也可以在不到 5 ns 的時(shí)間內(nèi)切換。

4. 必須認(rèn)識(shí)到,(交流)接地柵極上級(jí)不放大,而只是將下級(jí)晶體管的交流漏極電流傳遞到其漏極 = 輸出。上級(jí)晶體管幾乎可以是任何晶體管:高 fT 雙極晶體管、標(biāo)準(zhǔn) MOSFET、Coolmos、a-Si、GaN、SiC JFET、GaN 或SiC增強(qiáng)型 MOSFET,這都無關(guān)緊要!了解這一點(diǎn)非常重要,因?yàn)樘峁┘?jí)聯(lián)的 GaN 和 SiC 制造商試圖說服客戶,GaN 或 SiC 可實(shí)現(xiàn)快速切換。事實(shí)上,如果使用 Si Coolmos 代替 GaN 或 SiC,則切換速度相同,因?yàn)檫@完全是下級(jí)標(biāo)準(zhǔn) Si MOSFET 的優(yōu)點(diǎn)。很難理解為什么沒有一家 Coolmos(超結(jié))制造商將級(jí)聯(lián)推向市場(chǎng)。GaN 或 SiC 級(jí)聯(lián)在切換級(jí)中沒有任何優(yōu)勢(shì),只有一個(gè)例外:橋式電路,其中下級(jí) MOSFET 的本征二極管反向傳遞電流。GaN 和 SiC 均無雪崩額定值。GaN 或 SiC 的較低電容幾乎不引人注意,因?yàn)楣?jié)點(diǎn)上始終至少有 3 個(gè)元件。在 PFC 的簡(jiǎn)單情況下,開關(guān)的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)低于扼流圈或 SiC 二極管的貢獻(xiàn)。

5.3 附加提示

1. 集成電路對(duì)輸入到其輸出端的電流的敏感性差異很大;如果一個(gè)制造商生產(chǎn)的集成電路可以正常工作,那么另一個(gè)制造商生產(chǎn)的同類型集成電路就會(huì)被損壞。

2. 電感元件上隨處可見的廉價(jià)聚酯絕緣材料對(duì)于離線 SMPS 來說并不安全;超過 130 C 時(shí),聚酯絕緣材料就會(huì)分解。耐壓會(huì)隨著頻率的增加而急劇下降;在 100 KHz 時(shí),聚酯絕緣材料只能承受 50 Hz 時(shí)電壓的 10%!溫度升高也會(huì)降低耐壓和材料壽命。三層絕緣材料(如 TexE)由聚酯和尼龍層組成。如果這樣的變壓器燃燒,初級(jí)和次級(jí)之間就會(huì)接觸。Kapton 更貴,但它能承受 400 C 的高溫,在 800 C 時(shí)分解,它也是僅次于 Teflon 的電介質(zhì)。因此,離線變壓器的初級(jí)和次級(jí)之間應(yīng)使用兩層絕緣材料。

3. 由于 Si 功率 MOSFET 具有防雪崩功能,因此通常不需要在漏極中安裝保護(hù)元件,但是,如上所述,不建議使用連續(xù)雪崩,因?yàn)檫@會(huì)產(chǎn)生額外的損耗和 EMI。反激電路中的應(yīng)力。對(duì)于離線 SMPS,不需要 800 V MOSFET,650 V Coolmos 即可。應(yīng)始終提供由快速高壓二極管(例如 BYV 26 E)和電阻器與 PP 或陶瓷 HV 電容器的并聯(lián)組合組成的阻尼電路。可能需要與初級(jí)和次級(jí)繞組并聯(lián)額外的 RC;電容器必須是 NPO,電阻器是非電感的。為了將損耗保持在較低水平,電容器應(yīng)盡可能小,通常小于 100 p。

4. 僅使用約 2 p 的 100:1 探頭并觀察地面返回:使用泰克探頭插座。

5. 晶體管和冷卻表面之間的絕緣材料至關(guān)重要,但經(jīng)常被低估。高 dv/dt 會(huì)通過絕緣層產(chǎn)生大量介電電流,這不僅會(huì)造成損耗,還會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的 EMI。陶瓷材料是的,但價(jià)格昂貴且難以安裝。的折衷方案是填充陶瓷粉末的 0.4 毫米硅橡膠(例如 Kerafol,86400)。較薄的材料很可能被晶體管的不平坦表面和鋒利邊緣損壞。請(qǐng)注意,芯片和冷卻表面之間的 Rth 會(huì)增加,但很少指定。通過在與晶體管相同的外殼中安裝電阻器(例如 TO-220)并使用相同的材??料來測(cè)量它。

6. 即使晶體管主體和冷卻表面之間沒有電位差,也不要指望兩者是平坦的;多只能是線或點(diǎn)接觸,因此傳熱效果不佳。油脂在生產(chǎn)環(huán)境中已經(jīng)過時(shí)且非常不受歡迎。業(yè)界已經(jīng)開發(fā)出在室溫下干燥的界面材料。當(dāng)晶體管次升溫時(shí),油脂會(huì)滲出并填補(bǔ)縫隙,以實(shí)現(xiàn)傳熱效果。

7. 如果要求 EMI 特別低,例如在醫(yī)療設(shè)備中,并且不需要厚陶瓷絕緣體,則可以使用堆疊絕緣體,即首先使用絕緣體,然后使用銅箔,然后使用第二個(gè)絕緣體。銅箔與開關(guān)晶體管連接到同一接地。這里要小心 Kapton,因?yàn)樗膫鳠嵝院懿睿?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;"/>
8. 用螺釘甚至鉚釘固定晶體管是不可行的,可行的方法是使用彈簧夾壓住塑料外殼。這是能長(zhǎng)期保持足夠壓力的方法。

9. 有源開關(guān)晶體管帶電漏極的溫度測(cè)量會(huì)干擾大多數(shù)儀器,探頭的高容量也會(huì)干擾操作。因此,應(yīng)在關(guān)閉后直接進(jìn)行測(cè)量。

10. 功耗只能近似計(jì)算,開機(jī)和關(guān)機(jī)比較復(fù)雜。方法:關(guān)機(jī)后直接測(cè)量外殼溫度。然后安裝一個(gè) TO-220 功率電阻器代替具有相同絕緣的晶體管。使用電源,將電阻器加熱到與晶體管相同的溫度;所需的功率與晶體管的功耗相同。

12. 反向二極管實(shí)際上是寄生 NPN 的集電極-基極二極管,速度非常慢;有些 MOSFET 的速度更快。在開關(guān)過程中打開這些二極管時(shí)必須小心,否則可能會(huì)造成損壞。

6.Si IGBT。

成功的商業(yè)發(fā)明之一是 IGBT(絕緣柵雙極晶體管)。它無處不在。

IGBT為 MOSFET 中損耗隨電流平方增加的問題提供了根本解決方案。它是一種由 MOSFET 驅(qū)動(dòng)的雙極晶體管;因此,它可以簡(jiǎn)單地調(diào)動(dòng)更多的電荷載體,即電子和空穴。它兩端的電壓僅隨電流增加很小。這一特性和低成本解釋了 IGBT 巨大的經(jīng)濟(jì)重要性:運(yùn)輸行業(yè)中幾乎所有的驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備都依賴于 IGBT。

Hvbipolar 的電流增益非常低,這個(gè)問題可以通過 MOSFET 輸入得到解決。然而,在關(guān)斷期間,雙極晶體管的基極處于開路狀態(tài),這對(duì)每個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)工程師來說都是一件可怕的事情。關(guān)斷速度很慢,因此 IGBT 在關(guān)斷期間會(huì)遭受高損耗。這就是為什么它僅限于低頻操作,并且牽引車輛會(huì)產(chǎn)生令人討厭的可聽噪音。同時(shí),市場(chǎng)上有大約 7 代 IGBT 也允許超音速操作。直到近,SiC 晶體管才開始取代 IGBT,因?yàn)樗鼈兊墓ぷ黝l率更高、Rdson 低,而且工作 TJ 也更高。它們的缺點(diǎn)是成本較高。


開關(guān)功率晶體管的選擇和正確操作


圖 6.1 顯示了 MOSFET 和 IGBT 之間的差異。背面 p 層(pnp 集電極,在 IGBT 中稱為“發(fā)射極”)注入額外的電荷載流子。這些電荷載流子與通道中的電子保持平衡,因此產(chǎn)生的電荷載流子的濃度比摻雜產(chǎn)生的要大得多,因此漂移區(qū)的電導(dǎo)率增加了。但在關(guān)斷期間,必須將這些額外的電荷載流子從漂移區(qū)中移除,從而導(dǎo)致電流的長(zhǎng)“尾”。工作頻率主要保持在 kHz 范圍內(nèi)。

飽和電壓 Vsat 不能明顯降低,當(dāng) SiC MOSFET 的 Rdson 達(dá)到毫歐姆級(jí)時(shí),損耗也會(huì)降低。IGBT 的主要優(yōu)勢(shì)是成本低,因?yàn)樗匀皇请p極晶體管。請(qǐng)注意,與標(biāo)準(zhǔn) MOSFET 的主要區(qū)別在于額外的底部 p 層。

IGBT 有兩種類型:PT = 穿通型和 NPT = 非穿通型。兩者的區(qū)別在于電場(chǎng)的形式。NPT 型電場(chǎng)不會(huì)到達(dá)背面發(fā)射極,晶圓價(jià)格低廉,只需進(jìn)行摻雜。


免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請(qǐng)聯(lián)系小編進(jìn)行處理。


推薦閱讀:

專家分享-Matter、 LPWAN構(gòu)建未來無線通信新生態(tài)

借助單對(duì)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)二氧化碳凈零排放

群“芯”云集,“圳”等你來!2024中國(guó)(深圳)集成電路峰會(huì)報(bào)名盛大開啟

如何使用珀?duì)柼b置實(shí)現(xiàn)更高功率的熱電冷卻

使用數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng) (BMS) 測(cè)試自動(dòng)化

特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉