N沟道VMOSFET驱动电路

发布时间：2013-01-08 01:29:25 来源：文档文库

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新颖的N沟道VMOSFET驱动电路

普通MOSFET的栅极、源极、漏极处于芯片水平方向的同一表面上，导通时的工作电流沿芯片表面按水平方向流动，称为水平式场效应管。VMOSFET的栅极做成V形，源极制做在栅极的两边，栅极与半导体材料之间的SiO2层也做成V形。GS间施加电压后形成的反型层导电沟道呈V形，漏极电流垂直向源极流动，到达表面时沿V形导电沟道流到源极S，故称为VMOSFET。由于VMOSFET采用垂直导电方式，沟道短，电流容量大，故目前应用的功率场效应管多数是VMOSFET。

与双极型晶体管相比，VMOSFET的优点是：①参与导电的只有多数载流子，不存在复合少数载流子所表现出来的存储效应，从而具有高的开关速度。②具有宽的安全工作区而不会产生热点，无二次击穿现象，而且耐压具有正的温度系数，所以有高的可靠性。③导通电阻具有正的温度系数，容易进行并联使用。④具有强的过载能力，短时过载能力通常为额定值的四倍。⑤具有高的开启电压（即阈值电压，2~4V），因此有较高的噪声容限和抗干扰能力，给电路设计带来了极大的方便。⑥具有极高的输入阻抗，所需驱动功率很小，对驱动电路要求较低。

由于VMOSFET的众多优点，目前被越来越多地应用于开关电源等功率控制领域。高耐压、大电流的Ｎ沟道VMOSFET型号很多，选择余地很大，价格也比较便宜。相比之下，高耐压、大电流的P沟道VMOSFET型号则比较少，选择余地很小，价格也比较高。因此，绝大多数情况下都选用Ｎ沟道VMOSFET。当VMOSFET的源极S接电路地时，驱动电路很好设计。但在串联型开关电源中，VMOSFET驱动电路的设计很有技巧性，尤其是单一电源供电的情况。下面介绍一种新颖的驱动方式，日本尤塔卡电机株式会社生产的YDS305开关稳压模块就采用了这种驱动电路。该驱动电路用于驱动Ｎ沟道VMOSFET。

原理介绍：

1、利用主电源建立辅助电源

VMOSFET的开启电压（即阈值电压或门槛电压）为2~4V，为保证N沟道VMOSFET充分导通，必须使VGS≥4V，一般取10V左右。在串联型开关电源中，开关管与负载即输出电压是串联的。开关管导通时，源极S的电位等于输入电压（忽略VMOSFET导通电阻上的压降）。因此，PWM驱动级的供电电源必须高于输入电压。在单一电源供电的情况下，只有通过输入电压建立辅助电源。D1、D2、C1、C2、Q5等元件构成了10V辅助电源。其工作原理是：当开关管Q1截止（此时续流二极管D3导通）时，输入电压经二极管D1给电容C1快速充电。C1充满电时两端电压就等于输入电压。该电压经Q5、D2组成的串联稳压电路得到10V辅助电源，与源极S的电位迭加后作为PWM驱动级的供电电源。这样就保证了开关管Q1的栅极G比源极S高出10V, 从而保证了VMOSFET充分导通。需要说明的一点是，虽然辅助电源是10V串联稳压电源，但当输入电压大于4V而小于10V时，此串联稳压电路起电压跟随作用，VMOSFET仍能导通。串联稳压电源设定10V输出的原因，是防止高输入电压时VMOSFET的G、S极击穿。

2、高速驱动电路

Q2、Q3、Q4、R2组成高速驱动电路。VMOSFET的开关速度由其极间电容CGS、CGD、CDS决定。要提高开关速度，就必须减小栅、源结电容CGS的充、放电时间，也就是说要提高栅、源结电容CGS的充、放电电流。CGS的充电时间决定开关管的开通时间，放电时间决定开关管的关断时间。当PWM脉冲为低电平时，经Q2倒相放大变为高电平，由Q3射极输出器进行电流放大，送到Ｎ沟道VMOSFET开关管Q1的栅极，栅、源结电容CGS迅速充电，开关管Q1快速导通。当PWM脉冲为高电平时，经Q2倒相放大变为低电平，射极输出器Q4饱和导通，栅、源结电容CGS迅速放电，开关管Q1快速截止。由于Q3、Q4都接成射极输出器形式，有很强的负载驱动能力，所以栅、源结电容CGS的充、放电相当快，提高了开关速度，大大降低了其开通损耗和关断损耗。