功率场效应管在驱动电路中的应用

功率场效应管在驱动电路中的应用第一页，共二十页，编辑于2023年，星期日

等离子电视（PDP）是利用惰性气体放电产生的真空紫外线VUV，激发低能荧光粉发光来实现彩色图像显示的。PDP工作需要驱动电路产生高压脉冲来驱动屏体电极。PDP驱动电路中存在大量的功率开关器件，并要求功率开关器件有极快的开关速度（包括由导通转向截止的过渡时间Toff，和由截止转向导通的过渡时间Ton），以及大电流、高耐压的要求。

0V176V350V-70VPDP部分高压驱动波形第二页，共二十页，编辑于2023年，星期日场效应管（MOSFET）由于具有如下优点而广泛应用于PDP驱动电路中，这些优点主要是：（1）场效应管是多数载流子导电，不存在少数载流子的存储效应，从而有较高的开关速度。（2）具有较宽的安全工作区而不会产生热点和二次击穿，同时它具有正的温度系数，容易并联使用，可以解决大电流问题。（3）具有较高的开启电压，即阈值电压，因此具有较高的噪声容限和抗干扰能力，给电路设计和调试带来很大的方便。（4）由于它是电压控制器件，具有很高的输入阻抗，因此驱动功率小，而且驱动电路简单。可见，这些优点是双极晶体管不具备的。第三页，共二十页，编辑于2023年，星期日

PDP驱动电路是一种高压开关电路，电压幅值负几十伏到正几百伏左右，工作频率100~233kHz，驱动电路的设计选型对PDP的画面质量尤为重要。在基于“开关”的驱动电路设计完成后，需要解决两个问题：一是选择合适的MOS管替代驱动电路中的“开关”，二是进行MOS管的栅极驱动电路设计。K1Us基于“开关”的电路基于“MOS管”的电路UsK2K3M1M2M3M4说明：K3是“双向”开关，用2只N型MOS管实现。另外，PDP驱动电路中，大多选用性价比高的N型MOS管。第四页，共二十页，编辑于2023年，星期日

MOS管的选型就是选择参数合适的MOS管，使驱动电路能够高效率、稳定地工作，且寿命满足要求。简单地说，就是要求MOS管的过渡过程要足够快，以便减少开关损耗；导通电阻足够小，以便减少导通损耗；关断电阻足够大，以便提高隔离作用，同时兼顾成本因素。一、MOS管的选型第五页，共二十页，编辑于2023年，星期日（1）耐压BVdss(V)

（2）最大直流漏电流Id(A)（3）漏源导通电阻Rds(on)(Ω或mΩ)（4）漏极功耗Pd(W)（5）输入电容Ciss(pF)（6）上升时间tr(ns)导通时间ton(ns)下降时间tf(ns)关断时间toff(ns)反向恢复时间trr(ns)（7）栅极总电荷Qg(nC)（8）沟道温度Tch（℃）结温度Tj（℃）（9）微分电压dv/dt(V/ns)（10）热阻Rthck(K/W)

MOS管的参数很多，达几十个，下面给出了一些设计中要重点考虑的参数，括号内为常用单位：第六页，共二十页，编辑于2023年，星期日在PDP驱动电路设计中，在Vdss、Id、Pd等满足要求的前提下，Rds(on)、trr、Ciss、Qg参数要认真考虑，Rds(on)为导通电阻，低的导通电阻有助于减少导通损耗，特别是与“能量回收电路”相关的MOS管（图中的M1、M2、M3、M4），低的导通电阻有助于提高能量回收的效率，降低PDP的功耗。UsM1M2M3M4LXCsCp第七页，共二十页，编辑于2023年，星期日

trr、Ciss、Qg参数影响MOS管的开关速度，低的参数值能够加快MOS管的转换过程，有助于减少MOS管的开关损耗。另外，低的Ciss和Qg参数，能够减少MOS管栅极的驱动功率，简化栅极驱动电路的设计。第八页，共二十页，编辑于2023年，星期日

MOS管存在两种转换过程：一是导通转换过程，二是关断转换过程。右图为MOS管导通转换过程的示意图，导通转换过程分为4个区间，Vgs－t曲线是单调递增的，对应于MOS管栅极电容的充电过程，区间Ⅲ的平台是由于MOS管的密勒电容引起的。可以看出，区间Ⅱ和Ⅲ的电压与电流重叠，是MOS管导通过程功耗最大的区域。ⅠⅡⅢⅣIdVdstⅠⅡⅢⅣVgstVth二、MOS管的栅极驱动电路设计。(a)导通过程，栅极电压Vgs-t曲线

(b)导通过程，漏源电压Vds与漏极电流Id的变化第九页，共二十页，编辑于2023年，星期日关断转换过程也分为4个区间，Vgs－t曲线是单调递减的，对应于MOS管栅极电容的放电过程，区间Ⅱ的平台也是由于MOS管的密勒电容引起的。可以看出，区间Ⅱ和Ⅲ的电压与电流重叠，是MOS管关断过程功耗最大的区域。(c)关断过程，栅极电压Vgs-t曲线

(d)关断过程，漏源电压Vds与漏极电流Id的变化ⅠⅡⅢⅣIdVdstⅠⅡⅢⅣtVgsVth第十页，共二十页，编辑于2023年，星期日通过以上对MOS管转换过程的分析，得出对MOS管栅极驱动电路的要求：（1）栅极驱动电路的延迟时间要小，有助于减少栅压Vgs的上升时间。（2）栅极驱动电路的输出峰值电流要大，大的峰值电流可以大大缩短密勒电容的充放电时间，从而缩短平台的持续时间。（3）栅极驱动电压的变化率dv/dt要大，以便缩短栅压Vgs的上升或下降时间。满足上述要求的栅极驱动电路，能够加快MOS管的转换过程，减少电压Vds与电流Id的重叠区域，有助于减少MOS管的开关损耗。也就是说，栅极驱动电路是影响MOS开关损耗的外界因素，而性能优良的MOS是获得低开关损耗和导通损耗的内在因素。第十一页，共二十页，编辑于2023年，星期日理想的栅极驱动器是高速开关和高峰值电流两者的结合，而高性能的MOS管，能够减少对栅极驱动器的要求，简化栅极驱动电路的设计，优良的栅极驱动电路与高性能的MOS管相结合，才能制作出高性能的PDP驱动电路。目前，栅极驱动电路有现成的专用IC（栅极驱动器），如IR产的IR2110S、IXYS产的IX6R11S3等。第十二页，共二十页，编辑于2023年，星期日

IR2110是一种高耐压、高速率的双通道MOS管栅极驱动器，对MOS管驱动时外围电路十分简单，其典型应用电路如图所示。Us第十三页，共二十页，编辑于2023年，星期日

IR2110S的峰值输出电流为2安，对于需要更大峰值输出电流的场合，可以在IR2110S与MOS管之间加一级功率驱动，功率驱动使用1只或2只中功率双极晶体管作电流放大。另外，也可采用IX6R11S3，它也是一种高耐压、高速率的双通道MOS管栅极驱动器，其峰值输出电流达6安，是IR2110S的3倍，当然其价格也比IR2110S高得多。第十四页，共二十页，编辑于2023年，星期日

IR2110S和IX6R11S3都有一个限制，就是浮动通道的地VS相对于VB不能为负高压，而在PDP驱动电路中存在负高压的场合，这时，需要对IR2110S进行隔离。与负高压连接的MOS管，其栅极驱动电路可采用光耦进行设计。光耦的输出峰值电流一般较小(0.4A)，需加入一级功率驱动。随着PDP尺寸的增加，PDP驱动电路的输出功率也增加，对MOS管的漏极电流Id的要求超过100A，要达到这样的输出能力，需要多只MOS管并联使用，以提高PDP驱动电路的驱动电流和驱动功率。由于MOS管是电压控制型器件，多只MOS管并联使用时，其栅极驱动电路几乎不用改变。第十五页，共二十页，编辑于2023年，星期日介绍两种基本的PDP驱动电路基本的方波产生电路。Vs0VVo过渡期S1VsS2M2M1VoR1R2D2D1S1S2第十六页，共二十页，编辑于2023年，星期日基本的斜波产生电路。D3R2R3VsM3D5D1D2M4C1R4D6VoVo0VVst1t2t3S3t0t4S3S4S4R1D4过渡期第十七页，共二十页，编辑于2023年，星期日最后，对MOS管及栅极驱动器在PDP驱动电路中的应用作一些总结：（1）在Vdss、Id、Pd等参数满足要求的前提下，Rds(on)、trr、Ciss、Qg等参数对减少MOS管的导通损耗和开关损耗至关重要。（2）栅极驱动器起着电平转换和隔离作用，栅极驱动电路至少能提供2A以上的峰值输出电流，还要有高速的电压变化率（dv/dt）。第十八页，共二十页，编辑于2023年，星期日康佳在PDP驱动电路设计中，大部分MOS管为IXYS生产的功率MOS管，关键的MOS管选用PloarHT技术生产的MOS管，它是IXYS公司最新推出的场效应管,IXYS以其专利的晶胞设计和独特的工艺,革命性的提高