MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電路的應(yīng)用

1、驅(qū)動(dòng)MOSFET

1.1、柵極驅(qū)動(dòng)與基極驅(qū)動(dòng)

常規(guī)的雙極晶體管是電流驅(qū)動(dòng)器件，而MOSFET?是電壓驅(qū)動(dòng)器件。

圖?1.1?所示為雙極晶體管。要在集電極中產(chǎn)生電流，必須在基極端子和發(fā)射極端子之間施加電流。圖1.2?所示為?MOSFET，在柵極端子和源極端子之間施加電壓時(shí)，MOSFET?在漏極中產(chǎn)生電流。

MOSFET?的柵極是一層二氧化硅。由于該柵極與源極隔離，向柵極端子施加直流電壓理論上不會(huì)在柵極中產(chǎn)生電流（在柵極充電和放電的瞬態(tài)產(chǎn)生的電流除外）。實(shí)踐中，柵極中會(huì)產(chǎn)生幾納安的微弱電流。當(dāng)柵極端子和源極端子之間無電壓時(shí)，由于漏源極阻抗極高，因此漏極中除泄漏電流之外無電流。

1.2. MOSFET的特點(diǎn)

MOSFET?有以下特點(diǎn)：

a、由于MOSFET?是電壓驅(qū)動(dòng)器件，因此無直流電流流入柵極。

b、要開通MOSFET，必須對(duì)柵極施加高于額定柵極閾值電壓Vth的電壓。

c、處于穩(wěn)態(tài)開啟或關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)基本無功耗。

d、通過驅(qū)動(dòng)器輸出看到的?MOSFET柵源電容根據(jù)其內(nèi)部狀態(tài)而有所不同。

MOSFET?通常被用作頻率范圍從幾kHz到幾百?kHz?的開關(guān)器件。柵極驅(qū)動(dòng)所需的功耗較低是MOSFET作為開關(guān)器件的優(yōu)勢(shì)。此外也提供專為低電壓驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的MOSFET。

1.2.1.?柵極電荷

可將MOSFET的柵極視為電容。圖?1.3?所示為?MOSFET?中的不同電容。除非對(duì)柵極輸入電容充電，否則MOSFET的柵極電壓不會(huì)增大，而且在柵極電壓達(dá)到柵極閾值電壓Vth之前，MOSFET不會(huì)開通。MOSFET的柵極閾值電壓Vth是在其源極和漏極區(qū)域之間產(chǎn)生傳導(dǎo)通道所需的最小柵偏壓。

考慮驅(qū)動(dòng)電路和驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，MOSFET的柵極電荷?Qg?比其電容更加重要。圖?1.4?所示為增加?xùn)艠O電壓所需的柵極電荷的參數(shù)定義。

1.2.2.?計(jì)算MOSFET柵極電荷

MOSFET開啟期間，電流流到其柵極，對(duì)柵源電容和柵漏電容充電。圖1.5顯示了柵極電荷的測(cè)試電路。圖1.6顯示了對(duì)柵極端子施加恒定電流時(shí)獲得的柵源電壓隨時(shí)間變化的曲線。由于柵電流恒定，可將時(shí)間乘以恒定柵電流IG，以柵極電荷Qg表示時(shí)間軸。（柵極電荷的計(jì)算公式是Qg＝IG×t。）

1.2.3.?柵極充電機(jī)理

對(duì)MOSFET施加電壓時(shí)，其柵極開始積累電荷。圖1.7所示為柵極充電電路和柵極充電波形。將MOSFET連接到電感負(fù)載時(shí)，它會(huì)影響與MOSFET并聯(lián)的二極管中的反向恢復(fù)電流以及MOSFET柵極電壓。此處不作解釋。

a、在t0-t1時(shí)間段內(nèi)，柵極驅(qū)動(dòng)電路通過柵極串聯(lián)電阻器R對(duì)柵源電容Cgs和柵漏電容Cgd充電，直到柵極電壓達(dá)到其閾值Vth。由于Cgs和Cgd是并聯(lián)充電，因此滿足以下公式。

b、在t1－t2期間，VGS超過Vth，導(dǎo)致漏極中產(chǎn)生電流，最終成為主電流。在此期間，繼續(xù)對(duì)Cgs和Cg充電。柵極電壓上升時(shí)，漏極電流增大。在?t2，柵極電壓達(dá)到米勒電壓，在公式(1)中用?VGS(pl)代替VGS(t2)，可計(jì)算出VGS(pl).t2。在t0-t1期間，延遲時(shí)間t2和R(Cgs＋Cgd)成正比。

c、在t2-t3期間，VGS(pl)電壓處的VGS受米勒效應(yīng)影響保持恒定。柵極電壓保持恒定。在整個(gè)主柵電流流過MOSFET時(shí)，漏極電壓在t3達(dá)到其導(dǎo)通電壓（RDS(ON)×ID）。由于在此期間柵極電壓保持恒定，因此驅(qū)動(dòng)電流流向Cgd而非Cgs。在此期間Cgd（Qdg）中積累的電荷數(shù)等于流向柵電路的電流與電壓下降時(shí)間（t3－t2）的乘積：

d、在t3-t4期間，向柵極充電使其達(dá)到過飽和狀態(tài)。對(duì)Cgs和Cgd充電，直到柵極電壓（VGS）達(dá)到柵極供電電壓。由于開通瞬態(tài)已經(jīng)消失，在此期間MOSFET不會(huì)出現(xiàn)開關(guān)損耗。

1.3．柵極驅(qū)動(dòng)功率

MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電路消耗的功率隨著其頻率而成比例地增大。本節(jié)介紹了柵極驅(qū)動(dòng)電路（圖1.8中所示）的功耗。

在圖1.8中，通過柵極電阻器R1在MOSFET的柵極端子和源極端子之間施加了柵極脈沖電壓?VG。假設(shè)VGS從0V升高至VG（圖1.9為的10V）。VG足以開通MOSFET。MOSFET一開始處于關(guān)斷狀態(tài)，在VGS從0V升高至VG時(shí)開通。在此瞬態(tài)開關(guān)期間流過的柵電流計(jì)算如下：

從驅(qū)動(dòng)電源供應(yīng)的能量減去在柵極中積累的能量可以得出柵極電阻器消耗的能量。

關(guān)斷期間，在柵極中積累的能量就是柵極電阻器消耗的能量。

每個(gè)開關(guān)事件消耗的能量E等于驅(qū)動(dòng)電路供應(yīng)的能量。將E乘以開關(guān)頻率fsw，可計(jì)算出柵極驅(qū)動(dòng)電路PG的平均功耗：

柵極驅(qū)動(dòng)電路的平均功耗Pg也可以用輸入電容表示為：

但這樣計(jì)算得出的?PG?值和實(shí)際功率損耗有很大出入。這是因?yàn)镃ISS包括具有米勒電容的柵漏電容?CGD，因此是VDS的函數(shù)，且柵源電容CGS是VGS的函數(shù)。

2、MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電路示例

MOSFET?驅(qū)動(dòng)電路的基本要求包括能夠向柵極施加明顯高于Vth的電壓，并有為輸入電容完全充電的驅(qū)動(dòng)能力。本節(jié)說明了N通道MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路示例。

2.1、基本驅(qū)動(dòng)電路

圖?2.1?所示為MOSFET基本驅(qū)動(dòng)電路。在實(shí)踐中，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)必須考慮要驅(qū)動(dòng)的MOSFET?電容及其使用條件。

2.2、邏輯驅(qū)動(dòng)

人們對(duì)用于開關(guān)應(yīng)用（負(fù)載開關(guān)）的MOSFET的需求越來越多，它僅在運(yùn)行時(shí)為電路提供導(dǎo)電路徑，從而降低了電子器件的功耗。目前在很多應(yīng)用中通過邏輯電路或微控制器直接驅(qū)動(dòng)MOSFET。

圖2.2所示為用于開通和關(guān)斷功率繼電器的電路示例。由于負(fù)載開關(guān)的開通和關(guān)斷時(shí)間可能慢至幾秒，可使用小電流驅(qū)動(dòng)MOSFET柵極。

3、MOSFET?驅(qū)動(dòng)電路的注意事項(xiàng)

3.1、柵極電壓?VGS?條件的注意事項(xiàng)

VGS對(duì)于MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)非常重要。MOSFET在線性區(qū)（即電壓低于夾斷電壓）中運(yùn)行時(shí)，其導(dǎo)通電阻較低。因此對(duì)于開關(guān)應(yīng)用，您可以在低VDS區(qū)中使用MOSFET來降低導(dǎo)通電阻。

當(dāng)MOSFET的柵極電壓VGS超過其閾值電壓Vth時(shí)（如圖4.2所示），MOSFET開通。因此，VGS必須明顯高于Vth。

VGS?越高，RDS(ON)值就越低。

溫度越高，RDS(ON)值也就越高（圖?4.3）。

為了減少損耗，必須增大?VGS?從而最大限度減小器件在當(dāng)前使用的電流水平下的電阻（圖?4.4）。相反，高?VGS?值會(huì)增大高頻開關(guān)情況下驅(qū)動(dòng)損耗對(duì)總損耗的比率。

因此必須選擇最佳的?MOSFET?和柵極驅(qū)動(dòng)電壓。對(duì)東芝的眾多功率?MOSFET?而言，通常建議在?VGS為10V驅(qū)動(dòng)其柵極。東芝的產(chǎn)品系列中還包括用于在VGS為4.5V時(shí)驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O的功率MOSFET。選擇最適合您系統(tǒng)要求的功率MOSFET。

3.2、柵極電壓、峰值電流和驅(qū)動(dòng)損耗

如第1.3節(jié)“柵極驅(qū)動(dòng)功率”中所述，在為?MOSFET?設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，對(duì)柵極輸入電容充電的驅(qū)動(dòng)損耗和電流非常重要。

增大柵極電壓會(huì)降低?RDS(ON)，從而降低穩(wěn)態(tài)損耗。但由于Q＝CV，因此增大柵極電壓會(huì)增加?Qg，從而增大柵電流和驅(qū)動(dòng)損耗。MOSFET?在輕負(fù)荷應(yīng)用中以高頻開關(guān)時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)損耗會(huì)顯著影響其總損耗。在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)應(yīng)注意。

3.3.、柵極電阻器和開關(guān)特性

一般來說，MOSFET?的柵極端子上連接一個(gè)電阻器。該柵極電阻器的用途包括抑制尖峰電流并減少輸出振鈴。較大的柵極電阻器會(huì)降低MOSFET的開關(guān)速度，從而導(dǎo)致功率損耗增大，性能降低以及出現(xiàn)潛在的發(fā)熱問題。相反，較小的柵極電阻器會(huì)提高M(jìn)OSFET的開關(guān)速度，易引發(fā)電壓尖峰和振蕩，從而造成器件故障和損壞。因此必須通過調(diào)節(jié)柵極電阻器值來優(yōu)化?MOSFET?開關(guān)速度。

我們使用模擬法考慮圖?4.5?中所示電路的?MOSFET?開關(guān)波形。為了評(píng)估實(shí)際電路，將在模擬電路中插入線路雜散電感。輸出振鈴的幅度和持續(xù)時(shí)間取決于雜散電感。

我們模擬獲取圖4.5中所示電路的關(guān)斷波形，將柵極電阻器R3更改為1、10和50。圖4.6顯示了模擬結(jié)果。如上所述，減小柵極電阻器值會(huì)增大MOSFET的開關(guān)速度，而代價(jià)是增大了振鈴電壓。相反，增大柵極電阻器值會(huì)減小振鈴電壓，同時(shí)降低MOSFET的開關(guān)速度，從而增大其開關(guān)損耗。這是由于柵極電阻器值和柵極電壓限制了MOSFET的柵極充電電流。

?

?

? 3.4、柵極驅(qū)動(dòng)的注意事項(xiàng)

3.4.1、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(gè)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。

3.4.2、最佳的柵極電阻器

如第?3.3?節(jié)“柵極電阻器和開關(guān)特性”中所述，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(huì)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(huì)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(shí)會(huì)使用不同的柵極電阻器來開通和關(guān)斷MOSFET。圖?4.8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。

3.4.3、柵極故障預(yù)防

MOSFET?的一大問題在于其漏柵電容會(huì)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(jì)算如下：

iDG＝Cgd·dVDS／dt

圖?4.9?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(huì)發(fā)生自開通。

如果在二極管反向恢復(fù)期間對(duì)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：

（1）、在柵極和源極之間添加一個(gè)電容器

在柵極和源極之間插入的電容器會(huì)吸收因dv/dt?產(chǎn)生的漏柵電流。該電路如圖4.10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(huì)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(huì)增大消耗的驅(qū)動(dòng)功率。

（2）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(gè)MOSFET來實(shí)現(xiàn)短路。在圖4.11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(huì)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。

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

我們使用圖4.12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(huì)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(shí)開通，電感電流會(huì)流過Q2，導(dǎo)致相關(guān)的二極管關(guān)斷。我們研究了對(duì)關(guān)斷狀態(tài)的?MOSFET?施加高?dv／dt?電壓時(shí)會(huì)發(fā)生的情況。為促使發(fā)生自開通現(xiàn)象，圖?4.12?中只改變了與?Q1?相關(guān)的柵極電阻器?R4。

圖?4.13?顯示了無自開通現(xiàn)象的波形，圖?4.14?顯示了有自開通現(xiàn)象的波形。

接下來，如圖4.15中所示，我們?yōu)閳D4.12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(gè)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4.16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(shí)間，應(yīng)一并調(diào)整其電容和柵極電阻。

　　審核編輯：湯梓紅