MOSFET柵極驅動電路設計方案

1、驅動MOSFET

1.1、柵極驅動與基極驅動

傳統的雙極晶體管是電流驅動的器件，而MOSFET是電壓驅動的器件。

圖1.1示出了雙極晶體管。必須在基極和發射極之間施加電流，以在集電極中產生電流。圖1.2示出了MOSFET，當在柵極和源極端子之間施加電壓時在漏極中產生電流。MOSFET的柵極由氧化硅層組成。由于柵極與源極是絕緣的，所以在柵極端子上施加直流電壓理論上不會引起電流在柵極中流動，除了在柵極充電和放電的瞬態期間。在實踐中，柵極會產生幾毫微安量級的微小電流。當柵極端子和源極端子之間沒有電壓時，由于漏極-源極的阻抗非常高，除了漏電流之外，沒有電流在漏極中流動。

1.2、MOSFET特性

MOSFET具有以下特性：

1、由于MOSFET是電壓驅動器件，因此沒有直流電流流入柵極。

2、為了讓MOSFET導通，必須向柵極施加高于額定柵極閾值電壓Vth的電壓。

3、當處于穩定的開或關狀態時，MOSFET柵極驅動基本上不消耗功率。

4、從驅動輸出可以看出，MOSFET的柵源極電容隨其內部狀態的變化而變化。

MOSFET通常的工作頻率范圍從幾kHz到幾百kHz。柵極驅動功耗低是MOSFET的一個優點。

1.2.1、柵極電荷

可將MOSFET的柵極看作電容。圖1.3所示為MOSFET中的不同電容。除非對柵極輸入電容被充電，MOSFET的柵極電壓不會增加，并且當MOSFET的柵極電壓在達到柵極閾值電壓Vth時，MOSFET才導通。MOSFET的柵極閾值電壓Vth是指在源極和漏極之間產生導電通道所需的最小柵極偏置電壓。

在考慮驅動電路和驅動電流時，MOSFET的柵極電荷Qg比其電容更重要。圖1.4所示為提高柵極電壓所需的柵極電荷參數的定義。

1.2.2、MOSFET柵極電荷的計算

在MOSFET導通期間，電流流向柵極，對柵極-源極和圖1.4柵極電荷（阻性負載）柵極-漏極電容充電。圖1.5顯示了柵極電荷的測試電路。圖1.6顯示了當恒定電流施加到柵極時獲得的柵極-源極電壓隨時間的變化曲線。由于柵極電流是恒定的，可以用時間乘以恒定的柵極電流IG，用柵極電荷Qg表示時間軸(柵極電荷的計算計算公式為Qg=IG×t）。

1.2.3、柵極充電機制

MOSFET的柵極在施加電壓時開始積累電荷。圖1.7顯示了柵極充電電路和柵極充電波形。當MOSFET連接到感性負載時，它會影響與MOSFET并聯的二極管的反向恢復電流以及MOSFET柵極電壓。此處不作解釋。

①、在t0 ~ t1期間，柵極驅動電路通過柵極串聯電阻R對柵極-源極電容Cgs和柵極-漏極電容Cgd進行充電，直到柵極電壓達到其閾值Vth。由于Cgs和Cgd并聯充電，因此滿足以下等式。柵極電壓VGS計算公式為：

VGS(t)= VG(1-exp(-t/(R(Cgs+Cgd ))) (1)

因此，用Vth代替VGS(t1)，得到門延遲時間t1為：

t1=R(Cgs+Cgd)ln(VG /(VG-Vth))

這表示延遲時間t1與R（Cgs+Cgd）成比例。

②、在時間段t1至t2期間，VGS超過Vth，電流在漏極中流動，該電流最終成為主電流。Cgs和Cg在此期間繼續充電。隨著柵極電壓增加，漏極電流增加。在t2處，柵極電壓達到米勒平臺電壓。VGS(pl)×t2可以通過用VGS（pl）代替等式⑴中的VGS（t2）來計算。在時段t0至t1中，延遲時間t2與R(Cgs+Cgd）成比例。

t2 =R（Cgs+Cgd）ln（VG /（VG-VGS（pl）））

t2-t1=R(Cgs+Cgd）ln（（VG-Vth）/（VG-VGS（pl）））

由于漏極電流的存在，所以MOSFET會產生功率損耗。

③、在時段t2至t3期間，由于米勒效應的影響，MOSFET處于放大狀態，VGS保持并恒定在VGS（pl）電壓。柵極電壓保持恒定（由于MOS的固有轉移特性的存在）。當柵極電流持續流過MOSFET時，漏極電壓在t3達到其導通電壓（RDS（on）×ID）。由于柵極電壓在該時段保持恒定，所以驅動電流流向Cgd，而不是Cgs。在此期間累積在Cgd（Qgd）中的電荷等于流過柵極電路的電流與電壓下降時間（t3-t2）的乘積：

Qgd=(VG-VGS(pl))/R?(t3-t2)

因此, t3-t2=QgdRG/(VG-VGS(pl))

由于在此期間漏極電壓持續下降，而漏極電流保持不變，因此MOSFET會產生功率損耗即開通損耗。

④、在時段t3至t4期間，柵極被充電至過飽和狀態。Cgs和Cgd都會被充電，直到柵極電壓（VGS）達到柵極電源電壓。由于導通瞬態已經消失，因此MOSFET在此期間沒有開關損耗，但是有導通損耗。

1.3、柵極驅動功率

MOSFET柵極驅動電路消耗的功率與其工作頻率成比例增加。這部分主要介紹柵極驅動電路的功耗，如圖1.8所示。

在圖1.8中，柵極脈沖電壓VG通過柵極電阻R1施加在MOSFET的柵極和源極之間。假設VGS從0V升至VG（圖1.9中的10 V）。VG足以讓MOSFET導通。MOSFET初始狀態是關斷的，當VGS從0V變為VG時導通。在該瞬態開關周期期間流動的柵極電流計算為：

iG=(VG-VGS)/RG

因此，柵源電壓計算為VGS=VG-RG×IG。

柵極電荷Qg可以通過隨時間變化的柵極電流ig的積分來計算。

Qg=∫ dt

導通期間，柵驅動提供的能量E為：

E=∫ × dt

其中，Vg為驅動電源電壓。由于vg和ig隨時間的積分是Qgp，

E=VG×Qgp

Qg和ig有如下關系:iG=dQg/dt。因此，一個MOSFET在其導通期間EG中柵極積累的能量計算如下：

柵極電荷是vGS 在整個Qg（從0到Qgp）范圍內的積分,如圖1.10所示。

驅動電源提供的能量減去柵極中積累的能量就是被柵極電阻器消耗能量。

在關斷期間，柵極中積累的能量會被柵極電阻消耗掉。

每個開關周期消耗的能量E等于驅動電路提供的能量。可以通過E乘以開關頻率fsw來計算柵極驅動電路PG的平均功耗：

柵極驅動電路PG的平均功耗也可用輸入電容表示為PG=E×fsw=Ciss×(VG)2×fsw。然而，以這種方式計算的PG值與實際功率損耗有很大差異。這是因為Ciss包括具有米勒電容的柵極-漏極電容Cgd，并且是VDS的函數，還因為柵極-源極電容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向柵極施加高于VTH電壓的能力和對輸入電容充分充電的驅動能力。本節描述一個N溝道MOSFET驅動電路的示例。

2.1、基本驅動電路

圖2.1顯示了一個基本的MOSFET驅動電路。在實際設計驅動電路時，必須考慮被驅動MOSFET的電容及其使用條件。

2.2、邏輯驅動

由于把MOSFET作為開關應用（負載開關）的需求日益增長，MOSFET僅在電路工作時在電路中提供導電路徑，這樣可以降低電子設備的功耗。目前，在許多應用中，MOSFET直接由一個邏輯電路或一個微控制器驅動。

2.3、驅動電壓轉換

（1）、將驅動電壓轉換為15V

圖2.3顯示了用數字邏輯驅動MOSFET的示例。當MOSFET不能在5V下驅動時，該電路來提高驅動電壓。R2與柵極電阻R3串聯增加柵極驅動電阻，使MOSFET難以在飽和模式下驅動。這降低了MOSFET的開關速度，因此增加了開關損耗。相反，減小R2導致在MOSFET關斷期間有較大的漏極電流ID流向驅動電路，增加驅動電路的功耗。

備注：MOSFET導通的驅動電壓最好要大于12V，但最好不要超過±20V

(2）、推挽電路

圖2.3所示電路的缺點是，提升驅動電壓會增加驅動電路的功耗。這個問題可以通過增加一個推挽電路來解決，如圖2.4所示。

當驅動MOSFET的電流不足時，也使用推挽電路。

2.4、半橋或全橋的高端驅動

圖2.5展示了如何在半橋或全橋配置中使用MOSFET。為了接通上管Q1，必須向其柵極施加較高電壓。

由于Q1的源極電壓隨著下管Q2的導通和關斷而變化，所以不能讓Q1和Q2的驅動電源共用一個地。

2.4.1、使用高壓器件和自舉電路（例如高壓IC）

圖2.5所示為一個使用高壓器件和自舉電路驅動高邊器件的電路示例。開關頻率是有限的，這取決于輸出電容和電平轉換器的損耗。

2.4.2、脈沖變壓器驅動（絕緣開關）

脈沖變壓器的使用無需單獨的驅動電源。然而，它在驅動電路的功耗方面具有缺點。脈沖變壓器有時用于將MOSFET與其驅動器隔離，以保護驅動電路免受MOSFET故障的影響。

圖2.6顯示了一個簡單電路的例子。本電路中齊納二極管的作用是快速復位脈沖變壓器。圖2.7所示的電路有一個額外的PNP晶體管，以提高開關性能。

圖2.8所示電路有一個電容與一個脈沖變壓器串聯，以便在MOSFET關斷期間向MOSFET施加反向偏置，從而提高開關速度。由于電容阻斷了DC偏置，因此其還防止脈沖變壓器達到飽和點。

2.4.3、使用光耦和浮動電源

光耦也可用于驅動MOSFET柵極。光耦輸出需要單獨的電源。若要使用光耦驅動半橋或全橋的高邊，則需要一個浮動電源。應該注意光耦的速度和驅動能力。

3、MOSFET驅動電路的電源

3.1.變壓器隔離電源

當使用MOSFET驅動由上下橋臂構成的H橋、三相逆變器或類似的電路時，上橋臂和下橋臂的電源必須彼此隔離。

圖3.1顯示了使用變壓器的電源示例。

驅動MOSFET的下臂的電源可以共用。因此，H橋需要三個電源，而三相橋需要四個電源。

3.2.自舉電路

由二極管和電容器組成的自舉電路可以用來代替浮地電源。當MOSFET由逆變器或類似電路的上臂和下臂驅動時，可以在每個相中使用自舉電容C，如圖3.2所示，而不是浮置電源。最初，必須接通下臂中的器件以通過虛線的路徑從下臂的電源對電容C充電。下臂MOSFET每次導通時，電容C通過該路徑充電。由于上臂器件的占空比與電容C上存儲的電荷量有一定的關系，因此上臂的占空比存在限制。與輸出電壓的情況一樣，上臂的柵極電壓波動使其對噪聲敏感。因此，在設計上臂門電路時應謹慎。

3.3.電荷泵

電荷泵由振蕩電路、二極管和電容組成。電荷泵每一級提升的電壓存儲在電容器中，如圖3所示。當MOSFET由上下橋臂構成時，點荷泵可用于驅動高邊。與自舉電路不同，電荷泵對輸出器件的占空比沒有任何限制。

4. MOSFET驅動電路的注意事項

4.1. 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的導通阻抗在線性區域（在電壓低于夾斷電壓）是比較低的。所以，對于開關的應用，可以通過在低VDS區域使用MOSFET來降低導通阻抗。

MOSFET的柵極電壓VGS超過閾值電壓Vth時導通，如圖4.2。因此，VGS必須明顯高于Vth。

VGS越高，RDS(ON)值越低。溫度越高，RDS(ON)值越高（如圖4.3）。

為了降低損耗，需要增加VGS的值，以便最大限度的降低導通阻抗（如圖4.4）。但是，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，選擇最佳的MOSFET和柵極驅動電壓至關重要。對于東芝的很多MOSFET來說，柵極驅動電壓最好是在10V以上（一般我們會選擇12V及以上的柵極驅動電壓）。東芝的產品系列中還包括VGS為4.5V的柵極驅動電壓的功率MOSFET。

4.2. 柵極電壓、峰值電流和驅動損耗

如第1.3節“柵極驅動功率”所述，在設計MOSFET驅動電路時，驅動損耗和對柵極輸入電容充電的電流非常重要。由于Qg=∫ dt，開關周期內的平均柵極浪涌電流IG（rush）表示為：

iG(rush)=Qg/tsw

驅動器損耗可以下式計算：

PG =E×fsw=VG×Qgp×fsw

增加柵極電壓可以降低RDS(ON)，從而降低穩態損耗。但是，由于Q=CV，增加柵極電壓會增加Qg，從而增加柵極電流和驅動損耗。當MOSFET在輕負載下以高頻開關時，柵極驅動損耗顯著影響其總損耗。，這一點在設計驅動電路時應該注意。

4.3. 柵極電阻與開關特性

通常，MOSFET的柵極會連接一個限流電阻，其目的是為了抑制浪涌和減少振蕩。較大的柵極電阻會降低MOSFET的開關速度。這會導致功率損耗增加、性能降低和潛在的發熱問題。然而較小的柵極電阻提高了MOSFET的開關速度，這也使得MOSFET容易受到電壓浪涌和振蕩的影響，從而導致器件失效和損壞。因此，通過調節柵極電阻組織來優化MOSFET開關速度是很重要的。

柵極上升時間Tg與柵極電阻值Rg有如下關系：

Qg / tg = iG

RG = VG / iG

通過仿真，我們模擬了如圖4.5所示電路的MOSFET的開關波形。為了模擬實際電路，在仿真電路中加入了導線雜散電感。輸出振蕩的大小和周期取決于雜散電感。

我們模擬得到如圖4.5所示的電路的關斷波形，將柵極電阻R3分別設置為歐姆1,10歐姆和50歐姆。圖4.6顯示了仿真結果。如上所述，降低柵極電阻值以提高振蕩電壓為代價提高MOSFET的開關速度。反過來，增加柵極電阻值會降低振蕩電壓，但會降低MOSFET的開關速度，從而增加其開關損耗。這是因為柵極電阻值和柵極電壓限制了MOSFET的柵極充電電流。

4.4. 柵極驅動的注意事項

4.4.1. G-S極浪涌電壓保護

在MOSFET的柵極和源極之間增加一個外置齊納二極管可以有效地防止靜電放電和柵極浪涌電壓。需要注意，穩壓二極管的電容可能會有輕微的不利影響。

4.4.2. 最佳柵極電阻

正如第4.3節“柵極電阻和開關特性”所討論的，開關速度隨柵極電阻值而變化。增加柵極電阻值會降低MOSFET的開關速度并增加其開關損耗。降低柵極電阻值可以提高MOSFET的開關速度，但由于導線雜散電感等因素的影響，可能會在漏極和源極之間產生浪涌電壓。

因此，有必要選擇最優的柵極電阻。有時，MOSFET的導通和關斷使用不同的柵級電阻。圖4.8展示了如何使用不同的柵極電阻進行導通和關斷的示例。

4.4.3. 柵極故障預防

MOSFET有一個問題是其漏柵電容引起的寄生導通（自導通）現象。在關斷時，在MOSFET的源極和漏極之間會產生很大的dv/dt。由此產生的電流通過漏極-柵極電容流向柵極。結果，在柵極電阻兩端產生的壓降提升了柵極電壓。該電流計算為：

iDG = Cgd?dvDS / dt

圖4.9展示了電流的路徑。

如果dv/dt具有非常陡的斜率，則施加到MOSFET的柵極的電壓將取決于柵極-源極電容與柵極-漏極電容的比值。如果出現這種情況，可能會出現自導通。在二極管反向恢復期間，當快速變化的電壓施加到處于關斷狀態的MOSFET時，也可能發生自導通。

以下是防止自導通現象的三種方法：

（1）在柵極和源極之間增加一個電容

柵極和源極之間的電容吸收dv/dt引起的漏柵電流,如圖4.10所示。由于柵源電容與MOSFET內部的Cgs并聯，因此柵極電荷會增加。如果柵極電壓是固定的，我們可以通過改變柵極電阻值來保持MOSFET的開關速度不變。但這會導致驅動功率的增加。

（2）增加米勒鉗位電路

米勒鉗位電路使用開關器件使MOSFET的柵極和源端之間短路。這可以通過在對應MOSFET的柵極和源端之間添加另一個MOSFET來實現。在圖4.11中，如果電壓低于預定義的米勒電壓的電壓，比較器提供邏輯高電平，使柵極和源極端子之間的MOSFET導通。這會使功率MOSFET的柵極-源極短路，并且抑制由通過反饋電容器Crss（米勒電容）和柵極電阻的電流引起的柵極電壓的提升。