如何减少 MOSFET 关断延迟

电器工程 场效应管
2022-01-16 17:05:57

标题在信号开关应用中说明了一切——除了选择不同的器件外,如何减少(N 沟道)MOSFET 的关断延迟?有没有类似于用于 BJT 的 Baker Clamp 的东西?

4个回答

MOSFET 栅极和驱动器如下所示:

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

\$C_G\$ 主要是 MOSFET 本身的栅极电容。驱动器可能会增加一些自己的电容,但通常可以忽略不计。

\$L_G\$ 和 \$R_G\$ 主要来自栅极驱动电路。MOSFET 的引线也有贡献,但程度较小。

\$R_G\$ 还明确添加在一些驱动电路中,以抑制 \$L_G\$ 和 \$C_G\$ 的谐振。如果没有这种阻尼,振铃会导致 M1 栅极处的电压瞬态偏移远远超过 \$V_{GS}\$ 提供的电压,有时会超过 MOSFET 指定的最大值并损坏栅极。

为了尽可能快的切换时间,您希望所有这些都尽可能少。

最小化 \$R_G\$ 非常简单。不要添加超过要求的电阻,也不要使 PCB 走线过细。您还希望驱动器尽可能靠近 MOSFET,并且您希望它能够吸收和提供大电流。最简单的方法可能是添加一个 BJT 推挽发射极跟随器对:

示意图

模拟这个电路

有关更复杂的示例,请参阅以 3.3V 驱动 mosfet 桥的低端当然,也有综合解决方案。

如果快速关断比快速开通更重要(在 H 桥应用中很常见),则可以添加 D1 以在关断期间大部分旁路 \$R_G\$,同时仍保留大部分阻尼能力.

为了最小化 \$L_G\$,不仅要注意栅极走线的长度,还要注意从源极到栅极驱动器的返回路径。请记住,栅极充电电流必须流栅极和源极,然后返回驱动器。这个回路的电感与它所环绕的面积成正比,在高频下,这个电感比电阻\$R_G\$ 对开关速度的限制要大得多。常见的布局做法是在 MOSFET 和驱动器下方有一个坚固的接地层,栅极走线越短越好。在需要将层与过孔连接的地方,如果可能的话,包括几个,以尽量减少它们的有效电感。

还要记住 \$L_G\$ 和 \$R_G\$ 包括电源阻抗。确保为栅极驱动器提供充足的电源去耦电容。并联使用几个,以最大化电容并最小化电感。

\$C_G\$ 不能直接减少,除非选择不同的 MOSFET。更昂贵的 MOSFET 可以提供更低的栅极电容,从而降低 \$R_{DS(on)}\$ 或最大电流处理能力。此外,不要使用电流处理能力超过必要的 MOSFET;你会付出增加栅极电容的代价。

大多数栅极驱动器设计也可以受益于将栅极驱动到电压。通过向 \$L_G\$ 和 \$R_G\$ 施加更高的电压,电流将变得更大、更快,从而导致更高的 \$\frac{di}{dt}\$ 从而更快地关断。还要记住,\$\frac{di}{dt}\$ 越高,切换的速度越快,但振铃也会越差。

另外,请记住,如果您成功实现了非常快速的关断,您可能会遇到 MOSFET 的 \$\frac{dv}{dt}\$ 限制。随着漏源电压增加,漏栅和漏体电容必须充电,这意味着栅极驱动器必须吸收充电电流。如果不能,那么栅极电压可能会上升到足以重新打开 MOSFET,并且根据您的电路,可能会发生一些不好的事情。通常这意味着 H 桥的直通。

MOSFET寄生电容示意图

来自International Rectifier - 功率 MOSFET 基础

如果您有意添加了 \$R_G\$,这也是包含 D1 的另一个原因。

贝克钳位的概念也可以应用于 MOSFET,只需不将栅极驱动到高于必要的电压即可。然而,与 BJT 不同的是,MOSFET 会随着 \$V_{GS}\$ 的增加而降低 \$R_{DS}\$,因此将 \$V_{GS}\$ 提高到开启阈值以上是有一定价值的。

导通电阻与栅极电压

一个例子,对于 2N7000

你必须计算你的热限制,看看你是否可以在这里获得一些东西,但我会说如果 \$R_{DS}\$ 足够低以至于你不需要将栅极驱动得很高,你会通过选择具有较低总栅极电容和较高 \$R_{DS(on)}\$ 的不同 MOSFET 来获得更好的性能。这是因为当栅极电压超过阈值电压 \$V_{th}\$ 时,您必须移动的大部分电荷以及您必须等待开启或关闭的时间都会花费:

栅极电荷特性

2N7000 再次。中间的平坦部分位于 \$V_{th}\$。

将栅极电压提高到 \$V_{th}\$ 以上所需的电荷相对较少,但可以大幅降低 \$R_{DS}\$。

不要试图与菲尔的答案竞争,因为它真的很好。但是,有几件事需要考虑。

您没有提及您使用的是哪种部件,但如果您确实需要减少关闭延迟,您可能需要使用表面贴装部件。例如,TO-220 中的一个部件将在封装中内置 7nH 的电感和高达 10 欧姆的栅极电阻,这是您无能为力的。虽然表面贴装部件的电感更像 3nH 和 3 欧姆栅极电阻,但可以更快地切换。

至于更快地将电荷从栅极拉出,您可以考虑在 FET 的栅极添加一个 pnp 下拉晶体管。像这样的东西:

在此处输入图像描述

晶体管 Q5 充当局部低电感下拉电阻,将任何上游栅极电路电阻除以晶体管 \$\beta\$。这有点像菲尔使用二极管的想法,除了你得到增益的好处。

如果您想要找到应该使用的最小栅极电阻的定量指南,您可以查看这篇文章。

您可以采取许多措施来加快 MOSFET 的关断速度。

1) 使用能够更快地释放栅极电容的低阻抗栅极驱动器。

2)如果您在栅极驱动器和栅极之间串联了一个电阻器,请尝试将该电阻值降低一些。

3)如果有一个电阻器与驱动器的栅极串联,请尝试在该串联电阻器上放置一个电容器。如果驱动器具有足够低的阻抗并且电阻器/电容器对的 R/C 时间常数允许电容器在开到关转换之前放电,这可以加速 FET 关断。

4) 尝试偏置 FET 的栅极驱动器,使栅极在栅极关断期间和之后的摆动幅度低于源极电压。如果源位于 GND,则尝试使栅极低于 GND 几百毫伏。

除了迈克尔卡拉斯所说的之外,施加比您需要的更多的栅极电压是没有意义的。这就是贝克夹具对 BJT 的作用。

因此,您发现要充分打开 FET,您需要(例如)5V,但您施加 10V - 在 FET 开始关闭阶段之前,必须“放电”其中的 5 伏。

使用 BJT 可以“轻松”使用二极管自动执行此操作,但是如果您可以准确选择需要施加多少栅极电压(取决于电路板)并考虑温度和其他因素(这可能意味着您需要一两伏以上) ),那么您可能会节省几纳秒。