【導讀】當晶體管從 OFF 切換到 ON 或從 ON 切換到 OFF 時
，晶體管將跨越其線性區域。由於 MOSFET 和 JFET 的de跨kua導dao非fei常chang高gao，漏lou極ji和he柵zha極ji之zhi間jian的de電dian容rong將jiang成cheng倍bei增zeng加jia。因yin此ci
，驅qu動dong器qi在zai跨kua越yue線xian性xing區qu域yu時shi將jiang承cheng受shou嚴yan重zhong負fu載zai
，這zhe會hui導dao致zhi柵zha極ji電dian壓ya保bao持chi在zai穩wen定ding狀zhuang態tai。

Si MOSFET 正常工作的驅動電路。

關於製造商的應用說明和電路圖的一般性說明：除少數例外，這些都不適合任何係列生產。

基本上

，驅動電路必須對柵極輸入電容進行充電和放電，但這不是恒定的。

當晶體管從 OFF 切換到 ON 或從 ON 切換到 OFF 時，晶體管將跨越其線性區域。由於 MOSFET 和 JFET 的de跨kua導dao非fei常chang高gao，漏lou極ji和he柵zha極ji之zhi間jian的de電dian容rong將jiang成cheng倍bei增zeng加jia。因yin此ci，驅qu動dong器qi在zai跨kua越yue線xian性xing區qu域yu時shi將jiang承cheng受shou嚴yan重zhong負fu載zai
，這zhe會hui導dao致zhi柵zha極ji電dian壓ya保bao持chi在zai穩wen定ding狀zhuang態tai。因此，除非驅動器可以提供幾安培的電流，否則開關速度將大大減慢。如此強大的輸出級需要大型、昂貴的芯片
，尤其是 CMOS 芯片。

任ren何he開kai關guan速su度du的de比bi較jiao都dou是shi沒mei有you意yi義yi的de，除chu非fei同tong時shi考kao慮lv驅qu動dong器qi。通tong常chang需xu要yao與yu柵zha極ji串chuan聯lian一yi個ge電dian阻zu，這zhe決jue定ding了le導dao通tong速su度du。它ta必bi須xu與yu一yi個ge快kuai速su二er極ji管guan並bing聯lian，1 N 4150（不是 4148）足以滿足大多數中型 MOSFET 的要求。需要這個二極管有兩個原因：它ta可ke以yi防fang止zhi在zai關guan斷duan期qi間jian電dian阻zu上shang積ji累lei過guo高gao的de電dian壓ya，並bing且qie可ke以yi加jia快kuai關guan斷duan速su度du。足zu夠gou強qiang大da的de驅qu動dong器qi可ke以yi提ti供gong幾ji安an培pei的de電dian流liu和he低di值zhi柵zha極ji電dian阻zu，從cong而er限xian度du地di縮suo短duan開kai關guan時shi間jian。

如上所述，短開關時間不僅是一個優勢：它們可以減少開關損耗，而且會產生更強的 EMI，變bian壓ya器qi等deng中zhong的de隔ge離li材cai料liao會hui承cheng受shou更geng高gao的de介jie電dian應ying力li。這zhe並bing不bu總zong是shi會hui導dao致zhi立li即ji失shi效xiao
，但dan所suo有you隔ge離li材cai料liao的de壽shou命ming都dou有you限xian，這zhe取qu決jue於yu工gong作zuo溫wen度du和he介jie電dian應ying力li，介jie電dian應ying力li由you工gong作zuo頻pin率lv和he dv/dt 決定。在 100 kHz 時，標準聚酯箔所需的電壓僅為 50 Hz 時所需電壓的 1/10。在讚揚快速開關時，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 常規驅動程序

理想的輸出級是低阻抗 CMOS 驅動器
，它還將柵極鉗位在接地和 Vcc 上。由於驅動器的其他電路大多是雙極的，因此需要 BICMOS 芯片。因此，大多數驅動器都是低成本的雙極型
，並具有準互補 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，隻要上電平 > 10 V，就不太重要。超過 12 V 是不必要的
，隻會注入多餘的柵極電荷


，這些電荷在關閉時會被去除。

如果接地阻抗和電源阻抗過高
，漏電流很容易使 MOSFET 導通，需要考慮工作 Tj 時的漏電流。實際上，該電阻應小於 100 K，更接近 10 K。另一個經常被忽視的原因是：所有驅動器 IC 都需要一個 Vcc 才能工作，低於此電壓時
，柵極輸出保持高阻抗
，因此柵極開路！忽略漏電流可能導致寄生導通，從而導致損耗增加，甚至因熱失控而損壞。

如果驅動器的輸出級太弱
，則可以使用互補射極跟隨器，通常 BC 330-40/BC 327-40 就足夠了。

5.2 米勒效應和共源共柵

兩者均源自模擬高頻放大器電路
，並且已為人所知數十年；脈衝電路隻是過載放大器。

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fang大da器qi是shi否fou僅jin由you一yi個ge晶jing體ti管guan組zu成cheng，或huo者zhe是shi否fou有you任ren意yi數shu量liang的de級ji，都dou無wu關guan緊jin要yao。此ci外wai，它ta是shi否fou是shi反fan相xiang的de
，也ye無wu關guan緊jin要yao。在zai任ren何he情qing況kuang下xia，輸shu出chu和he輸shu入ru之zhi間jian的de電dian容rong都dou會hui看kan到dao差cha分fen電dian壓ya 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
；然後可以用電容表測量。放大器必須處於其線性範圍內，當放大器過驅動時，由於增益變為零
，這種影響會消失。

Cequiv = C 輸出至輸入 (1 - v)。

圖 5.1：米勒效應是如何產生的。

增益 v 必須帶有符號。

請注意，C equiv可能高於或低於實際的 C 輸出到輸入，具體取決於 v 的符號！一個重要的實際情況是理想 v = + 1 的發射極或源極跟隨器；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。另一種表達方式是說這個電容的兩端都是自舉的

任何脈衝電路都會受到米勒效應的影響

，因為開關器件必須從開到關
，反之亦然，穿過其線性區域。MOSFET juyoufeichanggaodekuadao，yincimilexiaoyinghuihenmingxian。zaijingtiguanjinruqixianxingfanweidenayike，qudongqijiangjiazaixiangdanggaodedianrong，yincishuruboxingjiangchengxianwendingzhuangtai，zhidaojingtiguanlikaiqixianxingfanwei。weileshixiangengkuaideqiehuan，xuyaogaoqudongdianliu

，zhexuyaoangguidequdongqi。zaikuandaifangdaqidianluzhong
，milexiaoyingkeyidedaobuchang，danzaimaichongdianluzhongzebukeneng。kenengdeshijinliangjianshaowaibushuchudaoshurudianrong，youyujingtiguanwaikehenxiao，shuruheshuchuzhijiandeyouxiaopingbijihubukeneng，ergongyuangongzhajiejuelezhegewenti。chufeihaikaolvqudongdianlu

，fouzebutongjingtiguanzhijiandeqiehuanshijianbijiaohaowuyiyi！請注意，不可能將過多的輸入電流饋入開關晶體管
，因為這些電流必須由晶體管的輸出吸收或產生。

共源共柵電路是高頻電子管放大器中常見的理想開關。其名稱由“五極管”和“級聯”組合而成。它由兩個串聯的放大器組成，如圖 5.2 所示。共源共柵電路數量眾多，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於任意電位
，而且兩個晶體管都可以以不同的電流工作。放大器 IC 內部的共源共柵電路是標準的。

圖 5.2：共源共柵的眾多實現之一，這裏是標準 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 的本征二極管用於橋式電路，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 GaN 和 SiC JFET 都以共源共柵形式出現。

標準級聯電路由一個 LV N 溝道 MOSFET 和另一個 MOSFET 組成，前者源極接地，後者柵極接地（交流）。前者饋入後者的源極；因此，它是接地源極級和接地柵極級的組合。

理li想xiang情qing況kuang下xia，晶jing體ti管guan具ju有you無wu限xian的de輸shu入ru和he輸shu出chu阻zu抗kang，即ji其qi漏lou極ji輸shu出chu是shi電dian流liu發fa生sheng器qi。理li想xiang情qing況kuang下xia，晶jing體ti管guan具ju有you無wu限xian的de跨kua導dao，這zhe意yi味wei著zhe其qi源yuan極ji輸shu入ru阻zu抗kang為wei零ling，即ji源yuan極ji輸shu入ru是shi虛xu擬ni交jiao流liu接jie地di，即ji電dian流liu接jie收shou器qi。從cong下xia部bu晶jing體ti管guan漏lou極ji流liu出chu的de交jiao流liu電dian流liu進jin入ru源yuan極ji並bing從cong上shang部bu晶jing體ti管guan漏lou極ji流liu出chu。這zhe會hui產chan生sheng一yi係xi列lie後hou果guo：

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通。如果驅動下晶體管的輸入 = 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為零。上晶體管的柵極 - 源極電容由下晶體管極低 (毫歐) 的 Rdson 放電。如果下晶體管關閉
，上晶體管的交流源電流會快速對節點下漏極-上源極處的電容充電，直到此節點處的電壓達到上晶體管的夾斷電壓，從而將其關閉。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
，此節點需要齊納二極管來限製切換期間的電壓。將單個 Coolmos 轉換為共源共柵的額外成本很小。

2. 由於源極（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。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。共源共柵是容易驅動的開關。這也是它如此之快的原因之一。

3. 下(xia)晶(jing)體(ti)管(guan)的(de)漏(lou)極(ji)和(he)上(shang)晶(jing)體(ti)管(guan)的(de)源(yuan)極(ji)之(zhi)間(jian)的(de)連(lian)接(jie)並(bing)不(bu)重(zhong)要(yao)，因(yin)為(wei)沒(mei)有(you)交(jiao)流(liu)電(dian)壓(ya)，信(xin)號(hao)是(shi)純(chun)電(dian)流(liu)，接(jie)地(di)電(dian)容(rong)沒(mei)有(you)交(jiao)流(liu)電(dian)壓(ya)

，不(bu)會(hui)影(ying)響(xiang)開(kai)關(guan)。因(yin)此(ci)，兩(liang)個(ge)晶(jing)體(ti)管(guan)可(ke)以(yi)分(fen)開(kai)設(she)置(zhi)
，這(zhe)樣(yang)就(jiu)可(ke)以(yi)化(hua)輸(shu)出(chu)到(dao)輸(shu)入(ru)的(de)關(guan)鍵(jian)電(dian)容(rong)，以(yi)避(bi)免(mian)“米勒效應”。這zhe將jiang是shi有you害hai的de
，因yin為wei級ji聯lian的de增zeng益yi是shi中zhong可ke實shi現xian的de增zeng益yi，它ta隻zhi是shi下xia晶jing體ti管guan的de跨kua導dao乘cheng以yi級ji聯lian的de負fu載zai阻zu抗kang的de乘cheng積ji。上shang晶jing體ti管guan在zai其qi源yuan極ji中zhong看kan到dao下xia晶jing體ti管guan的de輸shu出chu阻zu抗kang；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低輸出阻抗的 JFET，其漏極 = 級聯輸出處的輸出阻抗實際上是無限的。因此
，非常高的負載阻抗（在放大器中）和幾千的增益是可能的。然而，互連的電感是至關重要的。級聯的電路板布局是一個挑戰。這是一個 GHz 電路，對應 ns 開關。即使是 360 V 等離線電壓也可以在不到 5 ns 的時間內切換。

4. 必須認識到，（交流）接地柵極上級不放大
，而隻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、標準 MOSFET、Coolmos
、a-Si、GaN、SiC JFET
、GaN 或SiC增強型 MOSFET，這都無關緊要！了解這一點非常重要，因為提供級聯的 GaN 和 SiC 製造商試圖說服客戶，GaN 或 SiC 可實現快速切換。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準 Si MOSFET 的優點。很難理解為什麼沒有一家 Coolmos（超結）製造商將級聯推向市場。GaN 或 SiC 級聯在切換級中沒有任何優勢
，隻有一個例外：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，因為節點上始終至少有 3 個元件。在 PFC 的簡單情況下，開關的貢獻遠低於扼流圈或 SiC 二極管的貢獻。

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
；如果一個製造商生產的集成電路可以正常工作

，那麼另一個製造商生產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於離線 SMPS 來說並不安全
；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
，聚酯絕緣材料隻能承受 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，它也是僅次於 Teflon 的電介質。因此，離線變壓器的初級和次級之間應使用兩層絕緣材料。

3. 由於 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元件
，但是，如上所述，不建議使用連續雪崩，因為這會產生額外的損耗和 EMI。反激電路中的應力。對於離線 SMPS，不需要 800 V MOSFET
，650 V Coolmos 即可。應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 電容器的並聯組合組成的阻尼電路。可能需要與初級和次級繞組並聯額外的 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
，電容器應盡可能小
，通常小於 100 p。

4. 僅使用約 2 p 的 100:1 探頭並觀察地麵返回：使用泰克探頭插座。

5. 晶體管和冷卻表麵之間的絕緣材料至關重要，但經常被低估。高 dv/dt 會通過絕緣層產生大量介電電流
，這不僅會造成損耗
，還會產生強烈的 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 毫米矽橡膠（例如 Kerafol，86400）。較薄的材料很可能被晶體管的不平坦表麵和鋒利邊緣損壞。請注意，芯片和冷卻表麵之間的 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）並使用相同的材??料來測量它。

6. 即使晶體管主體和冷卻表麵之間沒有電位差，也不要指望兩者是平坦的；多(duo)隻(zhi)能(neng)是(shi)線(xian)或(huo)點(dian)接(jie)觸(chu)
，因(yin)此(ci)傳(chuan)熱(re)效(xiao)果(guo)不(bu)佳(jia)。油(you)脂(zhi)在(zai)生(sheng)產(chan)環(huan)境(jing)中(zhong)已(yi)經(jing)過(guo)時(shi)且(qie)非(fei)常(chang)不(bu)受(shou)歡(huan)迎(ying)。業(ye)界(jie)已(yi)經(jing)開(kai)發(fa)出(chu)在(zai)室(shi)溫(wen)下(xia)幹(gan)燥(zao)的(de)界(jie)麵(mian)材(cai)料(liao)。當(dang)晶(jing)體(ti)管(guan)次(ci)升(sheng)溫(wen)時(shi)，油(you)脂(zhi)會(hui)滲(shen)出(chu)並(bing)填(tian)補(bu)縫(feng)隙(xi)
，以(yi)實(shi)現(xian)傳(chuan)熱(re)效(xiao)果(guo)。

7. 如果要求 EMI 特(te)別(bie)低(di)，例(li)如(ru)在(zai)醫(yi)療(liao)設(she)備(bei)中(zhong)，並(bing)且(qie)不(bu)需(xu)要(yao)厚(hou)陶(tao)瓷(ci)絕(jue)緣(yuan)體(ti)


，則(ze)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)堆(dui)疊(die)絕(jue)緣(yuan)體(ti)
，即(ji)首(shou)先(xian)使(shi)用(yong)絕(jue)緣(yuan)體(ti)，然(ran)後(hou)使(shi)用(yong)銅(tong)箔(bo)，然(ran)後(hou)使(shi)用(yong)第(di)二(er)個(ge)絕(jue)緣(yuan)體(ti)。銅(tong)箔(bo)與(yu)開(kai)關(guan)晶(jing)體(ti)管(guan)連(lian)接(jie)到(dao)同(tong)一(yi)接(jie)地(di)。這(zhe)裏(li)要(yao)小(xiao)心(xin) 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. 有源開關晶體管帶電漏極的溫度測量會幹擾大多數儀器
，探頭的高容量也會幹擾操作。因此，應在關閉後直接進行測量。

10. 功耗隻能近似計算，開機和關機比較複雜。方法：關機後直接測量外殼溫度。然後安裝一個 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。

成功的商業發明之一是 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 驅動的雙極晶體管
；因此，它可以簡單地調動更多的電荷載體，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 巨大的經濟重要性：運輸行業中幾乎所有的驅動電子設備都依賴於 IGBT。

Hvbipolar 的電流增益非常低，這個問題可以通過 MOSFET shurudedaojiejue。raner
，zaiguanduanqijian，shuangjijingtiguandejijichuyukailuzhuangtai
，zheduimeigejingyanfengfudeshejigongchengshilaishuodoushiyijiankepadeshiqing。guanduansuduhenman，yinci IGBT 在關斷期間會遭受高損耗。這就是為什麼它僅限於低頻操作
，並且牽引車輛會產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。背麵 p 層（pnp 集電極，在 IGBT 中稱為“發射極”）注(zhu)入(ru)額(e)外(wai)的(de)電(dian)荷(he)載(zai)流(liu)子(zi)。這(zhe)些(xie)電(dian)荷(he)載(zai)流(liu)子(zi)與(yu)通(tong)道(dao)中(zhong)的(de)電(dian)子(zi)保(bao)持(chi)平(ping)衡(heng)，因(yin)此(ci)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)荷(he)載(zai)流(liu)子(zi)的(de)濃(nong)度(du)比(bi)摻(chan)雜(za)產(chan)生(sheng)的(de)要(yao)大(da)得(de)多(duo)
，因(yin)此(ci)漂(piao)移(yi)區(qu)的(de)電(dian)導(dao)率(lv)增(zeng)加(jia)了(le)。但(dan)在(zai)關(guan)斷(duan)期(qi)間(jian)，必(bi)須(xu)將(jiang)這(zhe)些(xie)額(e)外(wai)的(de)電(dian)荷(he)載(zai)流(liu)子(zi)從(cong)漂(piao)移(yi)區(qu)中(zhong)移(yi)除(chu)，從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)電(dian)流(liu)的(de)長(chang)“尾”。工作頻率主要保持在 kHz 範圍內。

飽和電壓 Vsat 不能明顯降低
，當 SiC MOSFET 的 Rdson 達到毫歐姆級時，損耗也會降低。IGBT 的主要優勢是成本低，因為它仍然是雙極晶體管。請注意，與標準 MOSFET 的主要區別在於額外的底部 p 層。

IGBT 有兩種類型：PT = 穿通型和 NPT = 非穿通型。兩者的區別在於電場的形式。NPT 型電場不會到達背麵發射極，晶圓價格低廉，隻需進行摻雜。

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