不同驅動受MOS極間電容影響的研究

（四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065）

1.引言

功率場效應管是一種多子導電的單極型電壓控制器件，它具有開關速度快、輸入阻抗高、驅動功率小，熱穩定性好、無二次擊穿、安全工作區寬等特點。由于它是單極性的器件，依靠多數載流子導電，沒有少數載流子的存儲效應，與關斷時間相聯系的存儲時間大大減小，因此它的開通與關斷受到極間電容的影響，與極間電容的充放電情況有緊密聯系。由于不同驅動電路驅動能力的不同，輸入驅動波形受到的影響也有大有小，在這種情況下，由于MOS管的關斷不夠徹底，因此開關性能就不能達到最佳狀態。

2.參數原理

受功率MOSFET結構影響，功率MOSFET內寄生著兩種類型的電容：與結構有關的柵源電容Cgs和柵漏電容Cgd；另外一種是與PN結有關的漏源電容Cds，等效電路如圖1所示。

圖1 極間電容分布圖

各寄生參數有如下定義：

輸入電容：Ciss=Cgs+Cgd；

輸出電容：Coss=Cds+Cgd；

反饋電容：Crss=Cgd；

常用N溝道增強型MOSFET開關管開通時間Ton分為延遲時間Td和上升時間Tr兩部分，Ton與功率MOSFET的開啟電壓Ugs(th)和輸入電容Ciss有關，在高頻環境下，Ciss的影響尤為突出，并受到信號源上升時間和內阻的影響。關斷時間Toff可分為存儲時間Ts和下降時間Tf兩部分，Toff則由功率MOSFET漏源電容Cds和負載電阻決定。

3.實驗測試

3.1 推挽式直接驅動

借助常用的N溝道增強型MOSFET IRF840進行實驗測試，IRF840典型參數如下：

Vgs=5V Vds=25V f=1.0MHZ

Ciss=832pF Coss=131pF Crss=17pF

驅動電路選擇典型推挽式直接驅動，PWM波形由單片機直接產生，加入推挽式驅動輸入端。兩三級管分別選用9014和9015，電路搭建成如圖2所示。

圖2 實驗電路

在這種驅動條件下實驗，通過示波器測量，可測得驅動未加在MOSFET柵源極之間和加在柵源之間的波形分別如圖3和圖4所示。

圖3 原始波形

圖4 受影響波形

由圖對比可知，驅動加入MOSFET后，在開通時間內，由于極間電容效應，導致驅動波形畸變，上升時間增大，這種影響來自于MOSFET極間電容充電時間的滯后。從圖中可以看出，MOSFET關斷瞬間，開關管對驅動有一個反充電過程，導致短暫的負壓出現，極間電容對外實現放電過程。

3.2 TL494芯片驅動

TL494是一種專用PWM控制驅動芯片，具有一定的驅動能力，在開關電源中應用廣泛。在滿足頻率要求的情況下，通過TL494直接驅動IRF840，電路如圖5所示。

圖5 實驗電路

在這種驅動條件下，原始驅動波形和受影響畸變波形如圖6和圖7所示。

圖6 原始波形

圖7 受影響波形

從兩幅圖中可以看出，由于極間電容影響，對原始驅動波形有明顯的畸變效應，使得驅動上升和下降時間都得以延長。

3.3 光隔離芯片TLP250驅動

TLP250芯片是TOSHIBA公司生產的一款集成光耦合隔離芯片，由于它能夠起到很好的隔離作用，因此，預測它對驅動波形起到很好的保護作用，實驗電路如圖8所示。

圖8 實驗電路

在光隔離芯片的驅動下，由單片機產生PWM波形輸入TLP250芯片，通過芯片輸出再轉到MOSFET，由示波器測得原始波形和受影響畸變波形分別如圖9和圖10所示。

圖9 原始波形

圖10 受影響波形

從圖中可以看出，由于極間電容影響，驅動波形發生畸變，上升時間延長，且在下降沿結束過程中，有短暫的振蕩。這種振蕩是由于光隔離輸出與極間電容組成的回路形成了振蕩回路，它使開關管的關斷時間延長，這種影響是不利的。

4.結論

上面三組實驗，分別由不同驅動對MOSFET管進行驅動測試，可以明顯的看到三組實驗的差別，第一組實驗驅動受到極間電容的影響較其他兩種要明顯的多，不僅上升時間延長較多，而且在關斷的過程中會出現短暫的反壓過程，這種過程不管是對開關管的開斷特性，還是對驅動電路都有嚴重不利的影響，開通上升時間過長，會導致MOSFET動態損耗增大，而發壓則會導致驅動電路損壞。第二組實驗，由于TL494本身有一定驅動能力，因此，極間電容對驅動的影響相對較小，驅動效果稍好，只是開通和關斷時間都得到延長，會增加動態損耗。第三組實驗，采用光隔離芯片，能夠很好的抑制極間電容對原始驅動波形的影響，這種驅動效果較好，特別是在高效開關電源和逆變電源中都得到了廣泛的應用，也是目前電源技術的主導方向。

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