MOSFET柵極驅(qū)動設(shè)計電路案例分析

01 柵極-發(fā)射極尖峰電壓防護(hù)

在 MOSFET 的柵極和源極之間添加一個外部齊納二極管，可以有效防止發(fā)生靜電放電和柵極尖峰電壓。但要注意，齊納二極管的電容可能有輕微的不良影響。 ?

圖?1?柵極尖峰電壓的防護(hù)

02 最佳的柵極電阻器

開關(guān)速度根據(jù)柵極電阻器值而有所不同。增大柵極電阻器值會降低MOSFET 的開關(guān)速度，并增大其開關(guān)損耗。減小柵極電阻器值會增大MOSFET 的開關(guān)速度， 但由于線路雜散電感和其它因素的影響，可能在其漏極端子和源極端子之間產(chǎn)生了尖峰電壓。 ? 因此，必須選擇最佳的柵極電阻器。有時會使用不同的柵極電阻器來開通和關(guān)斷 MOSFET。圖 2 顯示了使用不同的柵極電阻器進(jìn)行開通和關(guān)斷的示例。 ?

圖 2 柵極電阻器

03 ?柵極故障預(yù)防

MOSFET 的一大問題在于其漏柵電容會導(dǎo)致出現(xiàn)寄生開通（自開通）現(xiàn)象。關(guān)斷后，MOSFET 的源極和漏極之間形成陡峭的 dv/dt。產(chǎn)生的電流經(jīng)由漏柵電容流到柵極。導(dǎo)致柵極電阻器中發(fā)生的電壓降提高柵極電壓。該電流計算如下： ? iDG＝Cgd·dVDS/dt ? 圖 3 顯示了電流通路。 ? 如果 dv/dt 的斜率極為陡峭，則根據(jù)柵源電容與柵漏電容的比率為 MOSFET 的柵極施加電壓。如果出現(xiàn)這種情況，可能會發(fā)生自開通。 ? 如果在二極管反向恢復(fù)期間對處于關(guān)斷狀態(tài)的 MOSFET 施加快速變化的電壓，也可能發(fā)生自開通。有三種方法可以防止出現(xiàn)自開通現(xiàn)象： ?

在柵極和源極之間添加一個電容器

在柵極和源極之間插入的電容器會吸收因 dv/dt 產(chǎn)生的漏柵電流。該電路如圖 4 中所示。由于柵源電容器與 Cgs 在 MOSFET 內(nèi)部并聯(lián)連接，因此柵極電荷會增加。如果柵極電壓固定，您可以通過改變柵極電阻器值來保持 MOSFET 的開關(guān)速度不變，但這樣會增大消耗的驅(qū)動功率。 ?

米勒箝位電路

米勒箝位電路利用開關(guān)器件使 MOSFET 的柵極與源極之間的通路發(fā)生短路。通過在相關(guān) MOSFET 的柵極和源極之間添加另一個 MOSFET 來實現(xiàn)短路。在圖 5 中，如果電壓降至預(yù)定義電壓以下，低于米勒電壓，則通過比較器提供邏輯高，開通柵極和源極之間的 MOSFET。而這樣又會使輸出 MOSFET 的柵源通路發(fā)生短路，并抑制通過反饋電容器Crss 和柵極電阻器的電流導(dǎo)致的柵極電壓升高。 ?

可將關(guān)斷柵極電壓驅(qū)動到負(fù)值，避免其超過 Vth。但這種方法需要負(fù)電源。

圖 3 柵極故障的機(jī)理

圖 4?在柵極和源極之間添加電容器

圖 5 米勒箝位電路

我們使用圖 6 中所示的電路模擬自開通現(xiàn)象。自開通由 iDG（dv/dt 電流）和柵極電阻造成，會導(dǎo)致發(fā)生誤開通。 ? 在反向恢復(fù)模式中，如果 Q2 在電感負(fù)載電流通過 Q1 的二極管回流時開通，電感電流會流過 Q2，導(dǎo)致相關(guān)的二極管關(guān)斷。我們研究了對關(guān)斷狀態(tài)的 MOSFET 施加高 dv/dt 電壓時會發(fā)生的情況。為促使發(fā)生自開通現(xiàn)象，圖 6 中只改變了與 Q1 相關(guān)的柵極電阻器 R4。

圖 6?自開通波形的測試電路

圖 7?無自開通的波形(左圖) 和?自開通波形(右圖) ? 接下來，如圖 8 中所示，我們?yōu)閳D 6 中所示電路在 MOSFET Q1 的柵極端子和源極端子之間添加了一個電容器。該電容器的用途是吸收柵電流（Cgd·dVDS/dt），以便降低柵極電阻器產(chǎn)生的柵極電壓，從而降低自開通電壓。 ? 圖 9 顯示了改進(jìn)后的波形。由于柵源電容器的添加改變了 MOSFET 開關(guān)時間，應(yīng)一并調(diào)整其電容和柵極電阻。

圖 8 在柵極和源極之間添加電容器

圖 9 改進(jìn)后的自開通波形

編輯：黃飛

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