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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。 ?

編輯部：黃飛

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