【導(dǎo)讀】當(dāng)晶體管從 OFF 切換到 ON 或從 ON 切換到 OFF 時，晶體管將跨越其線性區(qū)域。由于 MOSFET 和 JFET 的跨導(dǎo)非常高，漏極和柵極之間的電容將成倍增加。因此，驅(qū)動器在跨越線性區(qū)域時將承受嚴(yán)重負(fù)載，這會導(dǎo)致柵極電壓保持在穩(wěn)定狀態(tài)。
Si MOSFET 正常工作的驅(qū)動電路。
關(guān)于制造商的應(yīng)用說明和電路圖的一般性說明：除少數(shù)例外，這些都不適合任何系列生產(chǎn)。
基本上，驅(qū)動電路必須對柵極輸入電容進(jìn)行充電和放電，但這不是恒定的。
當(dāng)晶體管從 OFF 切換到 ON 或從 ON 切換到 OFF 時，晶體管將跨越其線性區(qū)域。由于 MOSFET 和 JFET 的跨導(dǎo)非常高，漏極和柵極之間的電容將成倍增加。因此，驅(qū)動器在跨越線性區(qū)域時將承受嚴(yán)重負(fù)載，這會導(dǎo)致柵極電壓保持在穩(wěn)定狀態(tài)。因此，除非驅(qū)動器可以提供幾安培的電流，否則開關(guān)速度將大大減慢。如此強(qiáng)大的輸出級需要大型、昂貴的芯片，尤其是 CMOS 芯片。
任何開關(guān)速度的比較都是沒有意義的，除非同時考慮驅(qū)動器。通常需要與柵極串聯(lián)一個電阻，這決定了導(dǎo)通速度。它必須與一個快速二極管并聯(lián)，1 N 4150（不是 4148）足以滿足大多數(shù)中型 MOSFET 的要求。需要這個二極管有兩個原因：它可以防止在關(guān)斷期間電阻上積累過高的電壓，并且可以加快關(guān)斷速度。足夠強(qiáng)大的驅(qū)動器可以提供幾安培的電流和低值柵極電阻，從而限度地縮短開關(guān)時間。
如上所述，短開關(guān)時間不僅是一個優(yōu)勢：它們可以減少開關(guān)損耗，而且會產(chǎn)生更強(qiáng)的 EMI，變壓器等中的隔離材料會承受更高的介電應(yīng)力。這并不總是會導(dǎo)致立即失效，但所有隔離材料的壽命都有限，這取決于工作溫度和介電應(yīng)力，介電應(yīng)力由工作頻率和 dv/dt 決定。在 100 kHz 時，標(biāo)準(zhǔn)聚酯箔所需的電壓僅為 50 Hz 時所需電壓的 1/10。在贊揚(yáng)快速開關(guān)時，很少提到這一點。例如，請參見三層絕緣電線的壽命曲線。
5.1 常規(guī)驅(qū)動程序
理想的輸出級是低阻抗 CMOS 驅(qū)動器，它還將柵極鉗位在接地和 Vcc 上。由于驅(qū)動器的其他電路大多是雙極的，因此需要 BICMOS 芯片。因此，大多數(shù)驅(qū)動器都是低成本的雙極型，并具有準(zhǔn)互補(bǔ) NPN 輸出級，其缺點是既不能拉到接地也不能拉到 Vcc，??拉到 + 1 V 和 Vcc - 1 V。Si 功率 MOSFET 的閾值通常為 2 V，有些甚至低至 1 V，因此必須從柵極到接地連接一個電阻。在開啟時，只要上電平 > 10 V，就不太重要。超過 12 V 是不必要的，只會注入多余的柵極電荷，這些電荷在關(guān)閉時會被去除。
如果接地阻抗和電源阻抗過高，漏電流很容易使 MOSFET 導(dǎo)通，需要考慮工作 Tj 時的漏電流。實際上，該電阻應(yīng)小于 100 K，更接近 10 K。另一個經(jīng)常被忽視的原因是：所有驅(qū)動器 IC 都需要一個 Vcc 才能工作，低于此電壓時，柵極輸出保持高阻抗，因此柵極開路！忽略漏電流可能導(dǎo)致寄生導(dǎo)通，從而導(dǎo)致?lián)p耗增加，甚至因熱失控而損壞。
如果驅(qū)動器的輸出級太弱，則可以使用互補(bǔ)射極跟隨器，通常 BC 330-40/BC 327-40 就足夠了。
5.2 米勒效應(yīng)和共源共柵
兩者均源自模擬高頻放大器電路，并且已為人所知數(shù)十年；脈沖電路只是過載放大器。
圖 5.1 顯示了任意形狀的放大器，其增益為 v，輸出 A 和輸入 E 之間的電容為 CAE。放大器是否僅由一個晶體管組成，或者是否有任意數(shù)量的級，都無關(guān)緊要。此外，它是否是反相的，也無關(guān)緊要。在任何情況下，輸出和輸入之間的電容都會看到差分電壓 v In - v out。這與存在有效輸入電容 C equ.（“米勒電容”）具有相同的效果。請注意，這種影響僅在放大器通電時才會出現(xiàn)；然后可以用電容表測量。放大器必須處于其線性范圍內(nèi)，當(dāng)放大器過驅(qū)動時，由于增益變?yōu)榱悖@種影響會消失。
Cequiv = C 輸出至輸入 (1 - v)。
圖 5.1：米勒效應(yīng)是如何產(chǎn)生的。
增益 v 必須帶有符號。
請注意，C equiv可能高于或低于實際的 C 輸出到輸入，具體取決于 v 的符號！一個重要的實際情況是理想 v = + 1 的發(fā)射極或源極跟隨器；此時 C equiv = 0，C 輸出到輸入的兩端看到相同的信號，因此沒有信號電流，C 的值可以是任意的。另一種表達(dá)方式是說這個電容的兩端都是自舉的
任何脈沖電路都會受到米勒效應(yīng)的影響，因為開關(guān)器件必須從開到關(guān)，反之亦然，穿過其線性區(qū)域。MOSFET 具有非常高的跨導(dǎo)，因此米勒效應(yīng)會很明顯。在晶體管進(jìn)入其線性范圍的那一刻，驅(qū)動器將加載相當(dāng)高的電容，因此輸入波形將呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，直到晶體管離開其線性范圍。為了實現(xiàn)更快的切換，需要高驅(qū)動電流，這需要昂貴的驅(qū)動器。在寬帶放大器電路中，米勒效應(yīng)可以得到補(bǔ)償，但在脈沖電路中則不可能。可能的是盡量減少外部輸出到輸入電容，由于晶體管外殼很小，輸入和輸出之間的有效屏蔽幾乎不可能，而共源共柵解決了這個問題。除非還考慮驅(qū)動電路，否則不同晶體管之間的切換時間比較毫無意義！請注意，不可能將過多的輸入電流饋入開關(guān)晶體管，因為這些電流必須由晶體管的輸出吸收或產(chǎn)生。
共源共柵電路是高頻電子管放大器中常見的理想開關(guān)。其名稱由“五極管”和“級聯(lián)”組合而成。它由兩個串聯(lián)的放大器組成，如圖 5.2 所示。共源共柵電路數(shù)量眾多，電子管、雙極管、MOSFET 和 JFET 的任意組合都是可行的。包括所謂的折疊共源共柵電路；它們由極性相反的晶體管組成，因此輸入和輸出可以處于任意電位，而且兩個晶體管都可以以不同的電流工作。放大器 IC 內(nèi)部的共源共柵電路是標(biāo)準(zhǔn)的。
圖 5.2：共源共柵的眾多實現(xiàn)之一，這里是標(biāo)準(zhǔn) n 通道低壓 MOSFET 和 JFET（特別是 GaN 或 SiC JFET）的良好組合。這種組合不需要輔助柵極電壓。MOSFET 的本征二極管用于橋式電路，其中電流也必須反向流動。JFET 可雙向傳遞電流。市場上的大多數(shù) GaN 和 SiC JFET 都以共源共柵形式出現(xiàn)。
標(biāo)準(zhǔn)級聯(lián)電路由一個 LV N 溝道 MOSFET 和另一個 MOSFET 組成，前者源極接地，后者柵極接地（交流）。前者饋入后者的源極；因此，它是接地源極級和接地柵極級的組合。
理想情況下，晶體管具有無限的輸入和輸出阻抗，即其漏極輸出是電流發(fā)生器。理想情況下，晶體管具有無限的跨導(dǎo)，這意味著其源極輸入阻抗為零，即源極輸入是虛擬交流接地，即電流接收器。從下部晶體管漏極流出的交流電流進(jìn)入源極并從上部晶體管漏極流出。這會產(chǎn)生一系列后果：
1. 除了圖 5.2 所示的共源共柵類型外，共源共柵需要為上晶體管提供輔助柵極電壓，通常為 +12 V。如果下晶體管導(dǎo)通，它會自動在上晶體管的柵極和源極之間施加 12 V 電壓。請注意，JFET 在柵極電壓為零時完全導(dǎo)通。如果驅(qū)動下晶體管的輸入 = 柵極，則上晶體管 (JFET) 的源極將被拉至零，因此柵極和源極之間的電壓變?yōu)榱?。上晶體管的柵極 - 源極電容由下晶體管極低 (毫歐) 的 Rdson 放電。如果下晶體管關(guān)閉，上晶體管的交流源電流會快速對節(jié)點下漏極-上源極處的電容充電，直到此節(jié)點處的電壓達(dá)到上晶體管的夾斷電壓，從而將其關(guān)閉。電壓擺幅僅在零和 V夾斷之間，即 < 20 V，因此小型 LV MOSFET 就足夠了。實際上，此節(jié)點需要齊納二極管來限制切換期間的電壓。將單個 Coolmos 轉(zhuǎn)換為共源共柵的額外成本很小。
2. 由于源極（作為輸入）的阻抗為零，因此下級漏極沒有交流電壓，因此不存在米勒效應(yīng)。共源共柵的輸入電容盡可能低，僅由柵極-漏極和柵極-源極電容之和組成。共源共柵是容易驅(qū)動的開關(guān)。這也是它如此之快的原因之一。
3. 下晶體管的漏極和上晶體管的源極之間的連接并不重要，因為沒有交流電壓，信號是純電流，接地電容沒有交流電壓，不會影響開關(guān)。因此，兩個晶體管可以分開設(shè)置，這樣就可以化輸出到輸入的關(guān)鍵電容，以避免“米勒效應(yīng)”。這將是有害的，因為級聯(lián)的增益是中可實現(xiàn)的增益，它只是下晶體管的跨導(dǎo)乘以級聯(lián)的負(fù)載阻抗的乘積。上晶體管在其源極中看到下晶體管的輸出阻抗；這是無限的，因為它是一個 lv mosfet。因此，即使上晶體管是具有相當(dāng)?shù)洼敵鲎杩沟?JFET，其漏極 = 級聯(lián)輸出處的輸出阻抗實際上是無限的。因此，非常高的負(fù)載阻抗（在放大器中）和幾千的增益是可能的。然而，互連的電感是至關(guān)重要的。級聯(lián)的電路板布局是一個挑戰(zhàn)。這是一個 GHz 電路，對應(yīng) ns 開關(guān)。即使是 360 V 等離線電壓也可以在不到 5 ns 的時間內(nèi)切換。
4. 必須認(rèn)識到，（交流）接地柵極上級不放大，而只是將下級晶體管的交流漏極電流傳遞到其漏極 = 輸出。上級晶體管幾乎可以是任何晶體管：高 fT 雙極晶體管、標(biāo)準(zhǔn) MOSFET、Coolmos、a-Si、GaN、SiC JFET、GaN 或SiC增強(qiáng)型 MOSFET，這都無關(guān)緊要！了解這一點非常重要，因為提供級聯(lián)的 GaN 和 SiC 制造商試圖說服客戶，GaN 或 SiC 可實現(xiàn)快速切換。事實上，如果使用 Si Coolmos 代替 GaN 或 SiC，則切換速度相同，因為這完全是下級標(biāo)準(zhǔn) Si MOSFET 的優(yōu)點。很難理解為什么沒有一家 Coolmos（超結(jié)）制造商將級聯(lián)推向市場。GaN 或 SiC 級聯(lián)在切換級中沒有任何優(yōu)勢，只有一個例外：橋式電路，其中下級 MOSFET 的本征二極管反向傳遞電流。GaN 和 SiC 均無雪崩額定值。GaN 或 SiC 的較低電容幾乎不引人注意，因為節(jié)點上始終至少有 3 個元件。在 PFC 的簡單情況下，開關(guān)的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)低于扼流圈或 SiC 二極管的貢獻(xiàn)。
5.3 附加提示
1. 集成電路對輸入到其輸出端的電流的敏感性差異很大；如果一個制造商生產(chǎn)的集成電路可以正常工作，那么另一個制造商生產(chǎn)的同類型集成電路就會被損壞。
2. 電感元件上隨處可見的廉價聚酯絕緣材料對于離線 SMPS 來說并不安全；超過 130 C 時，聚酯絕緣材料就會分解。耐壓會隨著頻率的增加而急劇下降；在 100 KHz 時，聚酯絕緣材料只能承受 50 Hz 時電壓的 10%！溫度升高也會降低耐壓和材料壽命。三層絕緣材料（如 TexE）由聚酯和尼龍層組成。如果這樣的變壓器燃燒，初級和次級之間就會接觸。Kapton 更貴，但它能承受 400 C 的高溫，在 800 C 時分解，它也是僅次于 Teflon 的電介質(zhì)。因此，離線變壓器的初級和次級之間應(yīng)使用兩層絕緣材料。
3. 由于 Si 功率 MOSFET 具有防雪崩功能，因此通常不需要在漏極中安裝保護(hù)元件，但是，如上所述，不建議使用連續(xù)雪崩，因為這會產(chǎn)生額外的損耗和 EMI。反激電路中的應(yīng)力。對于離線 SMPS，不需要 800 V MOSFET，650 V Coolmos 即可。應(yīng)始終提供由快速高壓二極管（例如 BYV 26 E）和電阻器與 PP 或陶瓷 HV 電容器的并聯(lián)組合組成的阻尼電路?？赡苄枰c初級和次級繞組并聯(lián)額外的 RC；電容器必須是 NPO，電阻器是非電感的。為了將損耗保持在較低水平，電容器應(yīng)盡可能小，通常小于 100 p。
4. 僅使用約 2 p 的 100:1 探頭并觀察地面返回：使用泰克探頭插座。
5. 晶體管和冷卻表面之間的絕緣材料至關(guān)重要，但經(jīng)常被低估。高 dv/dt 會通過絕緣層產(chǎn)生大量介電電流，這不僅會造成損耗，還會產(chǎn)生強(qiáng)烈的 EMI。陶瓷材料是的，但價格昂貴且難以安裝。的折衷方案是填充陶瓷粉末的 0.4 毫米硅橡膠（例如 Kerafol，86400）。較薄的材料很可能被晶體管的不平坦表面和鋒利邊緣損壞。請注意，芯片和冷卻表面之間的 Rth 會增加，但很少指定。通過在與晶體管相同的外殼中安裝電阻器（例如 TO-220）并使用相同的材??料來測量它。
6. 即使晶體管主體和冷卻表面之間沒有電位差，也不要指望兩者是平坦的；多只能是線或點接觸，因此傳熱效果不佳。油脂在生產(chǎn)環(huán)境中已經(jīng)過時且非常不受歡迎。業(yè)界已經(jīng)開發(fā)出在室溫下干燥的界面材料。當(dāng)晶體管次升溫時，油脂會滲出并填補(bǔ)縫隙，以實現(xiàn)傳熱效果。
7. 如果要求 EMI 特別低，例如在醫(yī)療設(shè)備中，并且不需要厚陶瓷絕緣體，則可以使用堆疊絕緣體，即首先使用絕緣體，然后使用銅箔，然后使用第二個絕緣體。銅箔與開關(guān)晶體管連接到同一接地。這里要小心 Kapton，因為它的傳熱性很差！
8. 用螺釘甚至鉚釘固定晶體管是不可行的，可行的方法是使用彈簧夾壓住塑料外殼。這是能長期保持足夠壓力的方法。
9. 有源開關(guān)晶體管帶電漏極的溫度測量會干擾大多數(shù)儀器，探頭的高容量也會干擾操作。因此，應(yīng)在關(guān)閉后直接進(jìn)行測量。
10. 功耗只能近似計算，開機(jī)和關(guān)機(jī)比較復(fù)雜。方法：關(guān)機(jī)后直接測量外殼溫度。然后安裝一個 TO-220 功率電阻器代替具有相同絕緣的晶體管。使用電源，將電阻器加熱到與晶體管相同的溫度；所需的功率與晶體管的功耗相同。
12. 反向二極管實際上是寄生 NPN 的集電極-基極二極管，速度非常慢；有些 MOSFET 的速度更快。在開關(guān)過程中打開這些二極管時必須小心，否則可能會造成損壞。
6.Si IGBT。
成功的商業(yè)發(fā)明之一是 IGBT（絕緣柵雙極晶體管）。它無處不在。
IGBT為 MOSFET 中損耗隨電流平方增加的問題提供了根本解決方案。它是一種由 MOSFET 驅(qū)動的雙極晶體管；因此，它可以簡單地調(diào)動更多的電荷載體，即電子和空穴。它兩端的電壓僅隨電流增加很小。這一特性和低成本解釋了 IGBT 巨大的經(jīng)濟(jì)重要性：運(yùn)輸行業(yè)中幾乎所有的驅(qū)動電子設(shè)備都依賴于 IGBT。
Hvbipolar 的電流增益非常低，這個問題可以通過 MOSFET 輸入得到解決。然而，在關(guān)斷期間，雙極晶體管的基極處于開路狀態(tài)，這對每個經(jīng)驗豐富的設(shè)計工程師來說都是一件可怕的事情。關(guān)斷速度很慢，因此 IGBT 在關(guān)斷期間會遭受高損耗。這就是為什么它僅限于低頻操作，并且牽引車輛會產(chǎn)生令人討厭的可聽噪音。同時，市場上有大約 7 代 IGBT 也允許超音速操作。直到近，SiC 晶體管才開始取代 IGBT，因為它們的工作頻率更高、Rdson 低，而且工作 TJ 也更高。它們的缺點是成本較高。
圖 6.1 顯示了 MOSFET 和 IGBT 之間的差異。背面 p 層（pnp 集電極，在 IGBT 中稱為“發(fā)射極”）注入額外的電荷載流子。這些電荷載流子與通道中的電子保持平衡，因此產(chǎn)生的電荷載流子的濃度比摻雜產(chǎn)生的要大得多，因此漂移區(qū)的電導(dǎo)率增加了。但在關(guān)斷期間，必須將這些額外的電荷載流子從漂移區(qū)中移除，從而導(dǎo)致電流的長“尾”。工作頻率主要保持在 kHz 范圍內(nèi)。
飽和電壓 Vsat 不能明顯降低，當(dāng) SiC MOSFET 的 Rdson 達(dá)到毫歐姆級時，損耗也會降低。IGBT 的主要優(yōu)勢是成本低，因為它仍然是雙極晶體管。請注意，與標(biāo)準(zhǔn) MOSFET 的主要區(qū)別在于額外的底部 p 層。
IGBT 有兩種類型：PT = 穿通型和 NPT = 非穿通型。兩者的區(qū)別在于電場的形式。NPT 型電場不會到達(dá)背面發(fā)射極，晶圓價格低廉，只需進(jìn)行摻雜。
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