基于MOSFET內部結構優化的驅動電路-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2022-01-17
通常在實際的設計過程中，電子工程師對其的驅動電路以及驅動電路的參數調整并不是十分關注，尤其是從來沒有基于MOSFET內部的微觀結構去考慮驅動電路的設計，導致在實際的應用中，MOSFET產生一定的失效率。本文將討論這些細節的問題，從而優化MOSFET的驅動性能，提高整個系統的可靠性。
通常從外部來看，MOSFET是一個獨立的器件，事實上，在其內部，由許多個單元（小的MOSFET）并聯組成，圖1（a）為AOT460內部顯微結構圖，其內部的柵極等效模型如圖1（b）所示。MOSFET的結構確定了其柵極電路為RC網絡。
圖1：AOT460顯微結構圖及柵極等效模型
在MOSFET關斷過程中，MOSFET的柵極電壓VGS下降，從其等效模型可以得出，在晶元邊緣的單元首先達到柵極關斷電壓VTH而先關斷，中間的單元由于RC網絡的延遲作用而滯后達到柵極關斷電壓VTH而后關斷。
圖2：MOSFET關斷時的電流分布
如果MOSFET所加的負載為感性負載，由于電感電流不能突變，導致流過MOSFET的電流向晶元的中間流動，如圖2所示。這樣就會造成MOSFET局部單元過熱而導致MOSFET局部單元損壞。
如果加快MOSFET的關斷速度，以盡量讓MOSFET快速關斷，不讓能量產生集聚點，這樣就不會因局部單元過熱而損壞MOSFET。
注意到：MOSFET的關斷過程是一個由穩態向非穩態過渡的過程，與此相反，MOSFET在開通時，由于負載的電流是隨著單元的逐漸開通而不斷增加的，因此是一個向穩態過渡的過程，不會出現關斷時產生的能量集聚點。
因此，MOSFET在關斷時應提供足夠的放電電流讓其快速關斷，這樣做不僅是為了提高開關速度而降低開關損耗，同時也是為了讓非穩態過程盡量短，不至產生局部過熱點。
圖3：MOSFET的轉移特性
圖3為MOSFET處于飽和區時漏極電流ID與柵極電壓VGS的關系曲線即轉移特性，用公式可表示為：
其中，
對于特定的MOSFET，K為常數。因此，MOSFET處于飽和狀態時ID與VGS是平方的關系。
由圖3可知，當MOSFET處于飽和區并且ID=ID0時，ID隨溫度的變化是負溫度系數。因為MOSFET是由很多的小的單元組成。
圖4是電動車控制器的兩種驅動MOSFET管AOT460驅動電路，分立器件驅動時，PWM在上橋臂，直接用MC33035驅動時，PWM在下橋臂。
圖4：AOT460驅動電路
圖4（a）當MOSFET管AOT460關斷時，柵極通過Q5直接放電。圖4（b）驅動電路中，當MOSFET管AOT460關斷時，柵極電流通過電阻R6和MC33035的下驅動對地放電。
由于MOSFET管AOT460在關斷時電流迅速減小，會在PCB和電流檢測電阻的寄生電感上產生感應電勢，感應電勢的大小為Ldi/dt，方向如圖紅線所示。
這樣會使MOSFET管AOT460的源極和MC33035驅動的參考電位發生相對變化，這種變化降低了MC33035相對于MOSFET管AOT460源極的驅動電壓，從而降低了驅動能力，使關斷速度變慢。
兩種電路的關斷波形如圖5所示。在圖5（b）中，當VGS低于米勒平臺之后，電阻R6兩端的電壓，即圖5（b）中CH1和CH3的電位差變小，由于反電勢的影響，驅動線路已經幾乎不能通過電阻R6給柵極提供放電電流，導致MOSFET的關斷變慢。（注：測試波形時探頭的地線均夾在MOSFET的源極）
圖5：AOT460驅動波形
圖6：AOT460快速和慢速開關熱成像圖
圖6為AOT460在同一應用中快速開關和慢速開關情況下的熱成像照片。可以看出，在慢速開關情況下MOSFET的局部溫度要高于快速開關情況下的溫度，過慢的開關速度會導致MOSFET因局部溫度過高而提前失效。
小結
①過慢的開關速度增加MOSFET的開關損耗，同時由于柵極RC網絡延遲和MOSFET本身的熱不穩定性產生局部過熱，使MOSFET提前失效。
②過快的開通速度產生較大開通的浪涌電流以及開關振鈴及電壓尖峰。
③設計驅動線路和ＰＣＢ布線時，減小主回路ＰＣＢ和電流檢測電阻的寄生電感對開關波形的影響，布線時應使大電流環路盡量小并且使用較寬的走線。
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