MOSFET选型所需要注意的参数.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.34M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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MOSFET 驱动器与 MOSFET 的匹配设计 AN799 作者： Jamie Dunn Microchip Technology Inc. 简介当今多种 MOSFET 技术和硅片制程并存，而且技术进步日新月异。要根据 MOSFET 的电压 / 电流或管芯尺寸，对如何将 MOSFET 驱动器与 MOSFET 进行匹配进行一般说明，实际上显得颇为困难，甚至不可能。与任何设计决策一样，在为您设计中的 MOSFET 选择合适的 MOSFET 驱动器时，需要考虑几个变量。需要考虑的参数至少需要包括输入至输出的传输时延、静态电流、抗闭锁和电流驱动能力。驱动器的功率消耗也影响着封装的决定和驱动器的选择。本应用笔记将详细讨论与 MOSFET 栅极电荷和工作频率相关的 MOSFET 驱动器功耗。还将讨论如何根据 MOSFET 所需的导通和截止时间将 MOSFET 驱动器的电流驱动能力与 MOSFET 栅极电荷相匹配。 Microchip 提供许多不同种类的 MOSFET 驱动器，它们采用不同的封装，因此可以使设计者为应用中的 MOS- FET 选择最合适的 MOSFET 驱动器。 MOSFET 驱动器的功耗对 MOSFET 的栅极进行充电和放电需要同样的能量，无论充放电过程快或慢（栅极电压的上升和下降）。因此，MOSFET 驱动器的电流驱动能力并不影响由 MOS- FET 栅极的容性负载产生的驱动器功耗。 MOSFET 驱动器的功耗包含三部分： 1. 由于MOSFET栅极电容充电和放电产生的功耗。公式 1： PC = CG VDD × 2 F× 其中： CG = MOSFET 栅极电容 VDD = MOSFET 驱动器电源电压（V） F = 开关频率 2. 由于 MOSFET 驱动器吸收静态电流而产生的功耗。公式 2： PQ = ( 其中： IQH D IQL + × × 1 D-( ) ) VDD × IQH = 驱动器输入为高电平状态的静态电流 = 开关波形的占空比去 D IQL = 驱动器输入为低电平状态的静态电流 3. MOSFET 驱动器交越导通（穿通）电流产生的功耗。公式 3：其中： PS = CC F VDD × × CC = 交越常数（A*sec）从上述公式推导得出，三部分功耗中只有一个与 MOSFET栅极电容充电和放电有关。这部分功耗通常是最高的，特别在很低的开关频率时。为了计算公式 1 的值，需要知道 MOSFET 栅极电容。 MOSFET 栅极电容包含两个电容：栅源电容和栅漏电容（密勒电容）。通常容易犯的错误是将 MOSFET 的输入电容（CISS）当作 MOSFET 总栅极电容。确定栅极电容的正确方法是看 MOSFET 数据手册中的总栅极电容（QG）。这个信息通常显示在任何 MOSFET 的电气特性表和典型特性曲线中。  2006 Microchip Technology Inc. DS00799B_CN 第 1 页

AN799 表 1 显示了 500V、14A、N 沟道 MOSFET 的栅极电容在数据手册中的典型示例。要留意数据手册表中给出的数值与它们的测试条件有关：栅极电压和漏极电压。这些测试条件影响着栅极电荷的值。图 1 显示同一个 MOSFET 在不同栅极电压和漏极电压下栅极电荷的典型特性曲线。应确保用来计算功耗的栅极电荷值也满足应用条件。表 1：引脚数据手册中栅极电荷的表示名 QG 总栅极电荷 QGS 栅源电荷 QGD 栅漏电荷 CISS 输入电容 COSS 输出电容 CRSS 反向传递电容参数最小值典型值最大值单位测试条件 — — — — — — — — — 2600 720 340 150 20 80 — — — nC pF ID = 14A VDS = 400V VGS = 10V VGS = 0V VDS = 25V f = 1.0 MHz 从图 1 的曲线中选取 VGS = 10V 的典型值，我们得到总栅极电荷为 98 nC （VDS = 400V）。利用 Q = C * V 关系式，我们得到栅极电容为 9.8 nF，这大大高于表 1 中列出的 2.6 nF 的输入电容。这表明当计算栅极电容值时，总栅极电容值应从总栅极电荷值推导而来。通过使用图 1 的曲线并找到 12V 时对应的 QG 值可以得到 CG 的值。用 QG 除以 12V 就得到 CG 的值。已知 QG 等于 CG * VG， PC 公式可重写为： F× = QG V× PC 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 VDS = 400V VDS = 250V VDS = 100V 需要特别留意的是，公式中的电压被取了平方。因此，减小栅极驱动电压可以显著减小驱动器的功耗。对于一些 MOSFET，栅极驱动电压超过 8V 至 10V 并不会进一步减小 MOSFET 电阻（RDS-ON）。以上述 MOSFET 为例， 10V 栅极驱动电压时功耗为： PC PC PC = = = F× 10 9- QG V× 98 245mW × 10× × 250 × 103 ) V ( e g a t l o V e c r u o S - o t - e t a G , S G V 栅极电压减小了 16% （从 12V 减小至 10V），而得到的由栅极驱动的功耗减小了 28%。进一步可以看到由于栅极电压减小，也降低了交越传导损耗。公式 3 显示由于 MOSFET 驱动器交越导通而产生的功耗，通常这也被称为穿通。这是由于输出驱动级的 P 沟道和 N 沟道场效应管（FET）在其导通和截止状态之间切换时同时导通而引起的。 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 0 1 0 1 1 0 2 1 0 3 1 0 4 1 QG, Total Gate Charge (nC) 图1：总栅极电荷—栅源电压（500V， 14A，N 沟道MOSFET）当使用电气特性表中栅极电荷的最大值来进行最坏情况设计时，这个值应根据设计中的漏源电压和栅源电压进行调整。利用表 1 给出的 MOSFET 信息并以图 1 为例，在 VGS 为 12V，开关频率 F = 250 kHz 和漏源电压为 400V 时，由 MOSFET 栅极电容的充放电而产生的 MOSFET 驱动器的功耗为： PC PC PC = = = × × CG V2 F× 10 9- 9.5 × 342mW 12( )2 × 250 × 103 DS00799B_CN 第 2 页  2006 Microchip Technology Inc.

交越导通特性在MOSFET驱动器数据手册中显示为“交越能量—电源电压”典型特性曲线。图 2 给出了这个曲线示例。 10-8 9 8 7 6 5 4 3 2 c e s • A 10-9 4 6 8 12 14 16 18 10 VDD 图2：交越能量—电源电压交越常数的单位通常为安培 - 秒（A*sec）。这个数值与工作频率相乘得到平均电流值。图 2 证明了先前讨论的这一点。也就是，当偏置电压增加时，交越常数也增加，因此驱动器的功率消耗（由于交越导通）也增加。反之，减小驱动器电压导致驱动器功耗减小。需要留意的一点是当使用双路驱动器时，交越常数通常表示驱动器两部分的工作。如果只使用了驱动器的一部分，或者驱动器的两部分工作在不同的频率，对于驱动器每部分的计算，只需要采用这个值的一半。以图 2 所示的信息为例，我们假设这是单输出驱动器，工作 VDD 为 12V，工作频率为 250 kHz。基于上述曲线，交越常数定为 5.2*10-9。 CC F× 5.2 15.6mW V× 1 0 9- × 12× = = = PS PS PS × 250 × 103 AN799 管芯对栅极电容的影响可以想见， MOSFET 管芯的尺寸越大，栅极电荷的影响就越大。只要翻翻任何生产厂家的数据手册就可以证明这一点。在管芯尺寸与栅极电荷关系上，您会发现：管芯尺寸增加，总栅极电荷也增加。随着硅片技术的进步，新 MOSFET 可能与老器件具有相同的管芯尺寸，却具有较少的总栅极电荷。然而，采用相同硅片技术的 MOSFET 仍然使用于这个基本准则，即管芯尺寸增加，栅极充电所需的能量也增加。管芯尺寸经常表示为 Hex 尺寸。下列表 2 给出了不同 MOSFET Hex 尺寸下典型管芯尺寸和总栅极电容值。表 2： MOSFET 尺寸 Hex 0 Hex 1 Hex 2 Hex 3 Hex 4 Hex 5 Hex 6 Hex 7 MOSFET 管芯尺寸的 HEX 标示和典型电容管芯尺寸（mm） 0.89 x 1.09 1.75 x 2.41 3.40 x 2.21 4.44 x 2.79 7.04 x 4.32 6.45 x 6.45 283 x 348 mil 283 x 348 mil MOSFET 的总电容（pF） 400 750 1500 3000 6000 12000 15000 16000 并联模块可变最高 48,000 现在许多供应商也提供 “低栅极电荷”版本的 MOSFET，可以提供更快的开关时间和更低的栅极充电损耗。这些器件可以使应用工作在更高的速度，而的功率 MOSFET 的开关损耗更低，并且 MOSFET 驱动器的栅极电荷损耗也更低。对于这个驱动器，在这个电压和频率下工作，其功率消耗相对微不足道。通常，当驱动器的电流驱动能力增加时，由于穿通电流导致的损耗也相应增加。这些损耗可能很大，必须在选择 MOSFET 驱动器封装时加以考虑。 Microchip 提供表贴和引脚穿孔的封装，有 8 引脚 MSOP，8 引脚 DFN 和 5 引脚 TO-220 封装，便于工程师选择最适合应用的封装。  2006 Microchip Technology Inc. DS00799B_CN 第 3 页

AN799 峰值电流驱动的需求针对 MOSFET 驱动器的讨论主要是考虑内部和外部因素而导致 MOSFET 驱动器产生功耗。所以必须计算出 MOSFET驱动器的功率损耗，进而利用计算值为驱动器选择正确的封装和计算结温。在应用中使 MOSFET 驱动器与 MOSFET 匹配主要是根据功率 MOSFET 导通和截止的速度快慢（栅极电压的上升和下降时间）。任何应用中优化的上升 / 下降时间取决于很多因素，例如 EMI（传导和辐射），开关损耗，引脚 / 电路的感抗，以及开关频率等。 MOSFET 导通和截止的速度与 MOSFET 栅极电容的充电和放电速度有关。 MOSFET 栅极电容、导通和截止时间与 MOSFET 驱动器的驱动电流的关系可以表示为： dT = dV C× ] [ ---------------------- I MOSFET 驱动器以驱动器的输出峰值电流驱动能力来表示。这个峰值电流驱动能力通常在两个条件之一下给出。这两个条件为 MOSFET 驱动器输出短路到地或 MOSFET驱动器输出处于某一特定电压值（通常为4V，因为这是 MOSFET 开始导通并且密勒效应开始起作用时的栅极门限电压）。通常，峰值电流也表示在器件最大偏置电压下的电流。这意味着如果 MOSFET 驱动器工作在较低的偏置电压， MOSFET 驱动器的峰值电流驱动能力会降低。设计示例：利用下列设计参数，可以计算出 MOSFET 驱动器的峰值驱动电流： MOSFET 栅极电荷 MOSFET 栅极电压导通 / 截至时间 = 20 nC （Q） = 12V （dV） = 40 ns （dT）其中：使用前面推导的公式： dT = 导通 / 截止时间 dV = 栅极电压 C = 栅极电容（从栅极电荷值） I = 峰值驱动电流（对于给定电压值）前面已知栅极电荷的关系为： Q = C V× 上面的公式可重写为： dT Q ----= I 其中： Q = 总栅极电荷上述公式假设电流（I）使用的是恒流源。如果使用 MOSFET驱动器的峰值驱动电流来计算，将会产生一些误差。 dT Q ----= I Q ------ = dT 20nC ------------- 40ns 0.5A I = = I I 这个公式得出的峰值驱动电流为 0.5A。然而，设计参数中栅极驱动电压为 12V。在选择合适的驱动器时，这个参数也应在考虑之中。例如，您选择的驱动器在 18V 时标称电流为 0.5A，则在 12V 时，其峰值输出电流将小于 0.5A。基于这个原因，对于这个特殊的应用，应选择在峰值输出电流为 1.0A 的驱动器。同时还需要考虑在 MOSFET 驱动器和功率 MOSFET 栅极之间使用外部电阻，因为这会减小驱动栅极电容的峰值充电电流。这种驱动的配置如图 4 所示。 DS00799B_CN 第 4 页  2006 Microchip Technology Inc.

AN799 MOSFET 驱动器栅极驱动典型配置使用MOSFET 驱动器时可以采用许多不同的电路配置。很多时候，由于高的峰值电流、驱动电压快的上升 / 下降时间以及电路板上长走线引起的电感，需要考虑额外的钳位电路。图 3 至图 6 显示了经常使用的栅极驱动电路典型配置。在许多栅极驱动应用中，也可能需要限制栅极驱动的峰值，以降低栅极电压的上升。通常这可以降低由于 MOSFET 漏极电压的快速上升斜率导致的 EMI 噪声。通过改换具有更低峰值电流的 MOSFET 驱动器或增加一个串联栅极驱动电阻，如图 4 所示，就可以减缓 MOSFET 栅极电压的上升和下降时间 . V+ 1 µF 50V 1/2 TC4426 输入 V– 图5：当电路板走线长时使用齐纳二极管来钳位电压在 MOSFET 驱动器并没有放置在它所驱动的 MOSFET 附近的应用中，驱动器的输出与 MOSFET 的栅极之间存在电感，这会导致MOSFET栅极电压振荡而超过VDD 和低于地（GND）。如果峰值电压超过 MOSFET 标称的最大栅极电压，MOSFET 会损坏，进而导致失效。可以在 MOSFET 栅极和源极间增加一个齐纳二极管对电压进行钳位，如图 5 所示。可能的话，应使 MOSFET 驱动器和 MOSFET 的走线长度尽可能短，以此限制电感引起的振荡效应。驱动器输出和 MOSFET 栅极间的电感也会影响 MOSFET 驱动器在瞬态条件下将 MOSFET 栅极维持在低电平的能力。 V+ 1/2 TC4424 输入 V – 1 µF 50V 图3：典型MOSFET 驱动器电路最理想的 MOSFET 驱动器电路如图 3 所示。这种配置常用于升压（boost）、反激式和单开关的正激开关电源拓扑结构中。采用正确的布板技巧和选择合适的偏置电压旁路电容，可以使 MOSFET 栅极电压得到很好的上升和下降时间。除了在偏置电压增加本地旁路电容外， MOSFET 驱动器的良好铺地也很重要。 V+ 1/2 TC4424 输入 V – 1 µF 50V 图4：使用电阻限制峰值电流  2006 Microchip Technology Inc. DS00799B_CN 第 5 页

AN799 图 6 显示了使用栅极驱动变压器的两种不同栅极驱动配置。栅极驱动变压器可以用在高压或低压的应用中，从而在控制电路和功率 MOSFET 之间提供隔离，而这种隔离是为了满足安全要求，或者是提供高端浮空栅极驱动。图 6 中的电路 A 和电路 B 显示了单开关正激应用中使用的栅极驱动变压器。与 MOSFET 驱动器输出和栅极驱动变压器串联的电阻和电容用于平衡栅极驱动变压器的电压 - 时间。由于栅极驱动变压器的电压 - 时间必须平衡（对任何变压器都一样），在开关周期的截止时间内，功率 MOSFET 的栅极被施加了一个负的栅源电压。很多时候这会引起导通时开关时间延迟。如果不希望发生这种情况，可以使用 B 中的电路配置。这个电路使用负的栅极驱动电压来导通另外一个小信号 FET，进而短接主功率 MOSFET 的栅源端子，使其完全截止，并使栅极电压保持在 0V。A 和 B 中显示的驱动配置也可以用于双开关的正激拓扑结构。 MOSFET 驱动器 IC 变压器绕组 VCC OUT GND A) 单开关正激栅极驱动方案 MOSFET 驱动器 IC 变压器绕组 VCC OUT GND B) 具有从 MOSFET 移去负栅极驱动电压电路的单开关正激栅极驱动方案图6：栅极驱动变压器应用 DS00799B_CN 第 6 页  2006 Microchip Technology Inc.

AN799 TC1426\27\28 系列是 TC426\27\28 系列特别低成本版本，它们在输入端不具有低于电源轨的保护功能。它们是大批量 OEM 生产的佳选。 TC4423\24\25 系列双输出驱动器的命名规则与 TC426\27\28 1.5A 系列相同，它们具有 3A 输出能力。 TC4424是双输出同相驱动器，TC4425是一路反相加一路同相的驱动器。 TC4429 是单路反相驱动器（如其前身 TC429）， TC4420 则为同相驱动器。这个系列驱动器在 18V 具有 6A驱动能力。TC4429在18V时可以在65 nsec典型值下驱动 10,000 pF 的负载。 TC4421（反相）和 TC4422（同相）为 9A 输出、单输出 MOSFET 驱动器系列，与 TC4420/29 6A MOSFET 驱动器引脚兼容。这为需要 6A 以上栅极驱动电流能力的应用提供很好的向上兼容性。TC1410（N），TC1411 （N）， TC1412 （N）， TC1413 （N）， TC4420/29 和 TC4421/22 单输出驱动器引脚相互兼容。下页表 3 列出了在生产测试条件下不同驱动器的性能。这些驱动器的特性在其各自的数据手册中均有详细介绍。该表仅作为参数比较的指南。 MICROCHIP MOSFET 驱动器系列 Microchip 提供几个 MOSFET 驱动器系列，它们是： TC426\27\28 （双输出 1.5A） TC1410\11\12\13 （单输出 0.5A 至 3.0A） TC1426\27\28 （双输出 1.5A） TC4426\27\28 （双输出 1.5A） TC4426A\27A\28A （双输出 1.5A） TC4403 （分立输出 1.5A） TC4404\05 （双输出 1.5A） TC4420\29 （单输出 6.0A） TC4421\22 （单输出 9.0A） TC4431\32 （单输出 1.5A， 30V） TC4467\68\69 （四路输出 1.2A） TC4626\27 （单输出 1.5A） TC426 是全球最早的 CMOS MOSFET 驱动器。它是双输出器件，在 18V 时提供最高 1.5A 峰值驱动电流。这种 1.5A 驱动器也包含另外两个版本：双路同相 TC427 驱动器和一路反相加一路同相的 TC428 驱动器。 TC4426 系列是 TC426 系列的第二代产品，通过提升工艺和设计，具有更低的传输时延，与第一代相比，只消耗一半的功耗。所有器件型号为四位数的驱动器都具有这些改进性能。第二代产品的另外一个重要改进是它们的输入信号可以低于负电源轨（地）达 5V。对于控制电路地并没有完全接至 MOSFET 的功率地或源极地的系统，这项参数特别有用。这两个地通常会有些相对移动（地电位的变化）。 TC4426A 系列驱动器具有 TC4426 系列的所有性能改进，同时具有匹配的传输时延。具有匹配的传输时延时间和匹配的上升和下降时间，使这个系列驱动器成为看中占空比完整性应用的理想选择。  2006 Microchip Technology Inc. DS00799B_CN 第 7 页

AN799 以下系列的功率驱动器采用CMOS 制造工艺，可以同时与低电平控制功能电路和高功率开关器件接口，特别是与功率 MOSFET 接口。这些器件也是容性负载的合适选择，提供 1.2A 至 9A 的驱动电流，也提供反相和同相输出，以及双输入逻辑门。 Microchip 还提供未在表 3 中列出的 MOSFET 驱动器。欲了解 Microchip 完整的 MOSFET 驱动器型号列表，请浏览 Microchip 网站 www.microchip.com。 MOSFET 驱动器选择表输出路数和类型峰值驱动电流（A）反相双路 — 单路双路 — 单路双路 — 单路双路 — 单路 — 单路单路 — 同相 — 双路单路 — 双路单路 — 双路单路 — 双路单路单路 — — 单路四路或非四路与四路与 / 反相栅极电容（pF）上升时间 @ 标称负载（nsec）下降时间 @ 标称负载（nsec）上升边沿传输时延（nsec）下降边沿传输时延（nsec）输入保护至 5V 或低于地（Gnd） 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1800 1800 1800 2500 2500 10,000 10,000 470 470 470 35 35 35 19 19 19 25 25 25 23 23 23 25 25 60 60 15 15 15 25 25 25 19 19 19 25 25 25 25 25 25 25 25 60 60 15 15 15 75 75 75 20 20 20 30 30 30 33 33 33 55 55 30 30 40 40 40 75 75 75 40 40 40 30 30 30 38 38 38 55 55 33 33 40 40 40 否否否是是是是是是是是是是是是是是是是表 3：器件型号 TC1426 TC1427 TC1428 TC4426 TC4427 TC4428 TC4426A TC4427A TC4428A TC4423 TC4424 TC4425 TC4420 TC4429 TC4421 TC4422 TC4467 TC4468 TC4469 总结 1.2 1.2 1.2 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 3.0 3.0 3.0 6.0 6.0 9.0 9.0 1.2 1.2 1.2 在实际应用中，将适当的 MOSFET 驱动器与 MOSFET 匹配时需要考虑许多参数。然而，遵循本应用笔记中介绍的步骤就可以作出正确的选择。表 3 可以作为通用的指南来缩小选择的范围。正如任何电子元件一样，没有一个器件能够适合所有的应用，因此 Microchip 提供了不同标称电流、驱动输出极性和输入逻辑配置的 MOSFET 驱动器。 DS00799B_CN 第 8 页  2006 Microchip Technology Inc.

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