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MOS管选型的一些参数分析

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鑫源|  楼主 | 2021-12-20 13:26 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
MOSFET工作在开关状态下,目标是在可能的最短时间内实现器件在最低阻抗和最高阻抗之间的切换。由于MOSFET实际的开关时间(10ns60ns)至少比理论开关时间(50ps—200ps)大2~3个数量级,因此有必要了解其差异。参考图2MOSFET的模型,可以发现所有的模型在器件的三端之间都连有一个等效电容。毫无疑问,开关速度和性能决定于这三个电容上电压变化的快慢。
因此,在高速开关应用中,器件的寄生电容是一个重要的参数。 电容CGS和电容CGD与器件的实际几何尺寸有关,而电容CDS是寄生在双集晶体管的基集二极管间的电容。
电容CGS是由于源极和栅极形成的沟道区域的重叠形成的。它的值由器件实际的区域几何尺寸决定而且在不同的工作条件下保持不变。电容CGD由两个因素决定。一是耗尽层(是非线性的)的电容;二是JFET区域和栅极的重叠。等效电容CGD是器件漏源极电压的函数,大致可用下面公式计算得到:
file:///C:\Users\wenwy\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps505.tmp.png
电容CDS也是非线性的,这是由于它是体二极管的结电容。它和电压间关系为:
file:///C:\Users\wenwy\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps506.tmp.png
不幸的是,上述的所有电容在器件的资料表中均未涉及和说明。它们的值由Ciss(栅短路共源输入电容)、Crss(栅短路共源反向传输电容)、Coss(栅短路共源输出电容)间接给出,而且必须用下列公式计算:
file:///C:\Users\wenwy\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps507.tmp.png
在开关应用中,电容CGD会引起其他复杂问题,这是由于它处于器件输入与输出间的反馈回路中。因此,它在开关应用中有效值可能会很大,它的值取决于MOSFET的漏源极电压。这种现象被称为“Miller”效应,而且可以用下式表示:
file:///C:\Users\wenwy\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps508.tmp.png
由于电容CGDCGS是和电压有关的,因此只有把测试条件列出来时,那些资料中的数据才是有效的。对于一个确定的应用,有关的平均电容值必须由计算得来,而计算是基于建立于实际电压所需要的电荷。对于大多数的功率MOSFET来说,下面公式将会十分有用:
file:///C:\Users\wenwy\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps509.tmp.png
下一个将要谈及的重要的参数是栅极网格阻抗,Rg,I。这个寄生阻抗描述了器件内部栅极信号分配与阻抗之间的联系。在高速开关应用中它的重要性尤为突出,因为它介于驱动和器件输入电容之间,直接影响MOSFET的开关时间和dv/dt 能力。在工业生产中已经意识到这个问题,实际中的高速MOSFET器件如RF MOSFET在栅极信号分配中使用金属栅极用来代替高阻抗的硅栅极。在资料表中阻抗Rg,I并没有指明,但在实际的应用中它可能是器件一个十分重要的特性。在这篇**的后面,附录A4展示了通过使用阻抗电桥采用一种典型的测量装置来确定栅极内部阻抗值。
很明显,栅极阈值电压也是一个临界特性。有必要注意一下,在器件资料表中VTH(开启电压)的值是指在25℃,而且在漏极电流很小的情况下,电流典型值是250uA。因此,它并不等同于被大家公认的栅极开关波形的Miller平坦区。关于开启电压VTH的另一个很少提到的是约为-7mV/℃的温度系数,在MOSFET逻辑电平栅极电路驱动中它有着尤为重要的意义,它的开启电压VTH比在正常的测试条件下已经变低了。由于MOS FET工作在较高的温度,栅极驱动设计必须中适当的考虑到在截止时较低的开启电压,dv/dt 免疫能力的计算见附录AF。场效应晶体管的跨导是线性工作区中小信号的增益。有必要指出在管子每次导通或截止时,都要必须经过线性工作区,此时的电流取决于栅源电压。正向跨导gfs,反映了漏极电流和栅源电压之间的小信号关系,具体关系如下:
file:///C:\Users\wenwy\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps50A.tmp.png
因此,MOSFET在线性区的最大电流公式为:
file:///C:\Users\wenwy\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps50B.tmp.png
变换VGSMiller平坦区电压可近似写成漏极电流的函数:
file:///C:\Users\wenwy\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps50C.tmp.png
其他重要的参数如LD---漏极电感和Ls---源极电感在开关性能中也有显著的限制。典型的LD和Ls值会在器件资料单中列出,而且他们的值主要和器件的封装类型有关。它们的影响通常可以和外部寄生元件(通常和布局和外电路因素如漏电感、检测电阻等等)一同分析。
完整的,外部系列栅极电阻和MOSFET的输出阻抗在高速栅极驱动设计中是决定性的因素,因为它们在开关速度和最终开关损耗上有着深远的意义。

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