MOSFET柵極驅動電路應用說明

最近看到一個東芝的MOSFET的文檔，看了下，還不錯，就把內容復制出來了，分享給大家看下。

1、驅動MOSFET

1.1、柵極驅動與基極驅動

常規的雙極晶體管是電流驅動器件，而MOSFET 是電壓驅動器件。

圖 1.1 所示為雙極晶體管。要在集電極中產生電流，必須在基極端子和發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，MOSFET 在漏極中產生電流。

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在柵極中產生電流（在柵極充電和放電的瞬態產生的電流除外）。實踐中，柵極中會產生幾納安的微弱電流。當柵極端子和源極端子之間無電壓時，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

MOSFET 有以下特點：

a、由于MOSFET 是電壓驅動器件，因此無直流電流流入柵極。

b、要開通MOSFET，必須對柵極施加高于額定柵極閾值電壓Vth的電壓。

c、處于穩態開啟或關斷狀態時，MOSFET柵極驅動基本無功耗。

d、通過驅動器輸出看到的 MOSFET柵源電容根據其內部狀態而有所不同。

MOSFET 通常被用作頻率范圍從幾kHz到幾百 kHz 的開關器件。柵極驅動所需的功耗較低是MOSFET作為開關器件的優勢。此外也提供專為低電壓驅動設計的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。除非對柵極輸入電容充電，否則MOSFET的柵極電壓不會增大，而且在柵極電壓達到柵極閾值電壓Vth之前，MOSFET不會開通。MOSFET的柵極閾值電壓Vth是在其源極和漏極區域之間產生傳導通道所需的最小柵偏壓。

考慮驅動電路和驅動電流時，MOSFET的柵極電荷 Qg 比其電容更加重要。圖 1.4 所示為增加柵極電壓所需的柵極電荷的參數定義。

1.2.2. 計算MOSFET柵極電荷

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

1.2.3. 柵極充電機理

對MOSFET施加電壓時，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連接到電感負載時，它會影響與MOSFET并聯的二極管中的反向恢復電流以及MOSFET柵極電壓。此處不作解釋。

a、在t0-t1時間段內，柵極驅動電路通過柵極串聯電阻器R對柵源電容Cgs和柵漏電容Cgd充電，直到柵極電壓達到其閾值Vth。由于Cgs和Cgd是并聯充電，因此滿足以下公式。

b、在t1－t2期間，VGS超過Vth，導致漏極中產生電流，最終成為主電流。在此期間，繼續對Cgs和Cg充電。柵極電壓上升時，漏極電流增大。在 t2，柵極電壓達到米勒電壓，在公式(1)中用 VGS(pl)代替VGS(t2)，可計算出VGS(pl).t2。在t0-t1期間，延遲時間t2和R(Cgs＋Cgd)成正比。

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

d、在t3-t4期間，向柵極充電使其達到過飽和狀態。對Cgs和Cgd充電，直到柵極電壓（VGS）達到柵極供電電壓。由于開通瞬態已經消失，在此期間MOSFET不會出現開關損耗。

1.3．柵極驅動功率

MOSFET柵極驅動電路消耗的功率隨著其頻率而成比例地增大。本節介紹了柵極驅動電路（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一開始處于關斷狀態，在VGS從0V升高至VG時開通。在此瞬態開關期間流過的柵電流計算如下：

從驅動電源供應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。

每個開關事件消耗的能量E等于驅動電路供應的能量。將E乘以開關頻率fsw，可計算出柵極驅動電路PG的平均功耗：

柵極驅動電路的平均功耗Pg也可以用輸入電容表示為：

但這樣計算得出的 PG 值和實際功率損耗有很大出入。這是因為CISS包括具有米勒電容的柵漏電容 CGD，因此是VDS的函數，且柵源電容CGS是VGS的函數。

2、MOSFET柵極驅動電路示例

MOSFET 驅動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動能力。本節說明了N通道MOSFET的驅動電路示例。

2.1、基本驅動電路

圖 2.1 所示為MOSFET基本驅動電路。在實踐中，設計驅動電路時必須考慮要驅動的MOSFET 電容及其使用條件。

2.2、邏輯驅動

人們對用于開關應用（負載開關）的MOSFET的需求越來越多，它僅在運行時為電路提供導電路徑，從而降低了電子器件的功耗。目前在很多應用中通過邏輯電路或微控制器直接驅動MOSFET。

圖2.2所示為用于開通和關斷功率繼電器的電路示例。由于負載開關的開通和關斷時間可能慢至幾秒，可使用小電流驅動MOSFET柵極。

3、MOSFET 驅動電路的注意事項

3.1、柵極電壓 VGS 條件的注意事項

VGS對于MOSFET柵極驅動非常重要。MOSFET在線性區（即電壓低于夾斷電壓）中運行時，其導通電阻較低。因此對于開關應用，您可以在低VDS區中使用MOSFET來降低導通電阻。

當MOSFET的柵極電壓VGS超過其閾值電壓Vth時（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前使用的電流水平下的電阻（圖 4.4）。相反，高 VGS 值會增大高頻開關情況下驅動損耗對總損耗的比率。

因此必須選擇最佳的 MOSFET 和柵極驅動電壓。對東芝的眾多功率 MOSFET 而言，通常建議在 VGS為10V驅動其柵極。東芝的產品系列中還包括用于在VGS為4.5V時驅動柵極的功率MOSFET。選擇最適合您系統要求的功率MOSFET。

3.2、柵極電壓、峰值電流和驅動損耗

如第1.3節“柵極驅動功率”中所述，在為 MOSFET 設計驅動電路時，對柵極輸入電容充電的驅動損耗和電流非常重要。

增大柵極電壓會降低 RDS(ON)，從而降低穩態損耗。但由于Q＝CV，因此增大柵極電壓會增加 Qg，從而增大柵電流和驅動損耗。MOSFET 在輕負荷應用中以高頻開關時，柵極驅動損耗會顯著影響其總損耗。在設計驅動電路時應注意。

3.3.、柵極電阻器和開關特性

一般來說，MOSFET 的柵極端子上連接一個電阻器。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降低MOSFET的開關速度，從而導致功率損耗增大，性能降低以及出現潛在的發熱問題。相反，較小的柵極電阻器會提高MOSFET的開關速度，易引發電壓尖峰和振蕩，從而造成器件故障和損壞。因此必須通過調節柵極電阻器值來優化 MOSFET 開關速度。

我們使用模擬法考慮圖 4.5 中所示電路的 MOSFET 開關波形。為了評估實際電路，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時間取決于雜散電感。

我們模擬獲取圖4.5中所示電路的關斷波形，將柵極電阻器R3更改為1、10和50。圖4.6顯示了模擬結果。如上所述，減小柵極電阻器值會增大MOSFET的開關速度，而代價是增大了振鈴電壓。相反，增大柵極電阻器值會減小振鈴電壓，同時降低MOSFET的開關速度，從而增大其開關損耗。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、柵極驅動的注意事項

3.4.1、柵極-發射極尖峰電壓防護

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“柵極電阻器和開關特性”中所述，開關速度根據柵極電阻器值而有所不同。增大柵極電阻器值會降低MOSFET的開關速度，并增大其開關損耗。減小柵極電阻器值會增大MOSFET的開關速度，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斷MOSFET。圖 4.8顯示了使用不同的柵極電阻器進行開通和關斷的示例。

3.4.3、柵極故障預防

MOSFET 的一大問題在于其漏柵電容會導致出現寄生開通（自開通）現象。關斷后，MOSFET的源極和漏極之間形成陡峭的dv/dt。產生的電流經由漏柵電容流到柵極。導致柵極電阻器中發生的電壓降提高柵極電壓。該電流計算如下：

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。如果出現這種情況，可能會發生自開通。

如果在二極管反向恢復期間對處于關斷狀態的MOSFET 施加快速變化的電壓，也可能發生自開通。

有三種方法可以防止出現自開通現象：

（1）、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內部并聯連接，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的開關速度不變，但這樣會增大消耗的驅動功率。

（2）米勒箝位電路

米勒箝位電路利用開關器件使MOSFET的柵極與源極之間的通路發生短路。通過在相關MOSFET的柵極和源極之間添加另一個MOSFET來實現短路。在圖4.11中，如果電壓降至預定義電壓以下，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的柵源通路發生短路，并抑制通過反饋電容器 Crss 和柵極電阻器的電流導致的柵極電壓升高。