不同驱动受MOS极间电容影响的研究

（四川大学电气信息学院，四川 成都 610065）

1.引言

功率场效应管是一种多子导电的单极型电压控制器件，它具有开关速度快、输入阻抗高、驱动功率小，热稳定性好、无二次击穿、安全工作区宽等特点。由于它是单极性的器件，依靠多数载流子导电，没有少数载流子的存储效应，与关断时间相联系的存储时间大大减小，因此它的开通与关断受到极间电容的影响，与极间电容的充放电情况有紧密联系。由于不同驱动电路驱动能力的不同，输入驱动波形受到的影响也有大有小，在这种情况下，由于MOS管的关断不够彻底，因此开关性能就不能达到最佳状态。

2.参数原理

受功率MOSFET结构影响，功率MOSFET内寄生着两种类型的电容：与结构有关的栅源电容Cgs和栅漏电容Cgd；另外一种是与PN结有关的漏源电容Cds，等效电路如图1所示。

图1 极间电容分布图

各寄生参数有如下定义：

输入电容：Ciss=Cgs+Cgd；

输出电容：Coss=Cds+Cgd；

反馈电容：Crss=Cgd；

常用N沟道增强型MOSFET开关管开通时间Ton分为延迟时间Td和上升时间Tr两部分，Ton与功率MOSFET的开启电压Ugs(th)和输入电容Ciss有关，在高频环境下，Ciss的影响尤为突出，并受到信号源上升时间和内阻的影响。关断时间Toff可分为存储时间Ts和下降时间Tf两部分，Toff则由功率MOSFET漏源电容Cds和负载电阻决定。

3.实验测试

3.1 推挽式直接驱动

借助常用的N沟道增强型MOSFET IRF840进行实验测试，IRF840典型参数如下：

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

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

驱动电路选择典型推挽式直接驱动，PWM波形由单片机直接产生，加入推挽式驱动输入端。两三级管分别选用9014和9015，电路搭建成如图2所示。

图2 实验电路

在这种驱动条件下实验，通过示波器测量，可测得驱动未加在MOSFET栅源极之间和加在栅源之间的波形分别如图3和图4所示。

图3 原始波形

图4 受影响波形

由图对比可知，驱动加入MOSFET后，在开通时间内，由于极间电容效应，导致驱动波形畸变，上升时间增大，这种影响来自于MOSFET极间电容充电时间的滞后。从图中可以看出，MOSFET关断瞬间，开关管对驱动有一个反充电过程，导致短暂的负压出现，极间电容对外实现放电过程。

3.2 TL494芯片驱动

TL494是一种专用PWM控制驱动芯片，具有一定的驱动能力，在开关电源中应用广泛。在满足频率要求的情况下，通过TL494直接驱动IRF840，电路如图5所示。

图5 实验电路

在这种驱动条件下，原始驱动波形和受影响畸变波形如图6和图7所示。

图6 原始波形

图7 受影响波形

从两幅图中可以看出，由于极间电容影响，对原始驱动波形有明显的畸变效应，使得驱动上升和下降时间都得以延长。

3.3 光隔离芯片TLP250驱动

TLP250芯片是TOSHIBA公司生产的一款集成光耦合隔离芯片，由于它能够起到很好的隔离作用，因此，预测它对驱动波形起到很好的保护作用，实验电路如图8所示。

图8 实验电路

在光隔离芯片的驱动下，由单片机产生PWM波形输入TLP250芯片，通过芯片输出再转到MOSFET，由示波器测得原始波形和受影响畸变波形分别如图9和图10所示。

图9 原始波形

图10 受影响波形

从图中可以看出，由于极间电容影响，驱动波形发生畸变，上升时间延长，且在下降沿结束过程中，有短暂的振荡。这种振荡是由于光隔离输出与极间电容组成的回路形成了振荡回路，它使开关管的关断时间延长，这种影响是不利的。

4.结论

上面三组实验，分别由不同驱动对MOSFET管进行驱动测试，可以明显的看到三组实验的差别，第一组实验驱动受到极间电容的影响较其他两种要明显的多，不仅上升时间延长较多，而且在关断的过程中会出现短暂的反压过程，这种过程不管是对开关管的开断特性，还是对驱动电路都有严重不利的影响，开通上升时间过长，会导致MOSFET动态损耗增大，而发压则会导致驱动电路损坏。第二组实验，由于TL494本身有一定驱动能力，因此，极间电容对驱动的影响相对较小，驱动效果稍好，只是开通和关断时间都得到延长，会增加动态损耗。第三组实验，采用光隔离芯片，能够很好的抑制极间电容对原始驱动波形的影响，这种驱动效果较好，特别是在高效开关电源和逆变电源中都得到了广泛的应用，也是目前电源技术的主导方向。

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