MOSFET柵極驅(qū)動電路應(yīng)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(nèi)容復(fù)制出來了，分享給大家看下。

1、驅(qū)動MOSFET

1.1、柵極驅(qū)動與基極驅(qū)動

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

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，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）。實踐中，柵極中會產(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，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(qū)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(wěn)態(tài)開啟或關(guān)斷狀態(tài)時，MOSFET柵極驅(qū)動基本無功耗。

d、通過驅(qū)動器輸出看到的 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)動所需的功耗較低是MOSFET作為開關(guān)器件的優(yōu)勢。此外也提供專為低電壓驅(qū)動設(shè)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(qū)域之間產(chǎn)生傳導(dǎo)通道所需的最小柵偏壓。

考慮驅(qū)動電路和驅(qū)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?xùn)艠O電壓所需的柵極電荷的參數(shù)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(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時間段內(nèi)，柵極驅(qū)動電路通過柵極串聯(lián)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(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(yīng)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(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(tài)。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(tài)已經(jīng)消失，在此期間MOSFET不會出現(xiàn)開關(guān)損耗。

1.3．柵極驅(qū)動功率

MOSFET柵極驅(qū)動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時開通。在此瞬態(tài)開關(guān)期間流過的柵電流計算如下：

從驅(qū)動電源供應(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。

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

柵極驅(qū)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(shù)，且柵源電容CGS是VGS的函數(shù)。

2、MOSFET柵極驅(qū)動電路示例

MOSFET 驅(qū)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(qū)動能力。本節(jié)說明了N通道MOSFET的驅(qū)動電路示例。

2.1、基本驅(qū)動電路

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

2.2、邏輯驅(qū)動

人們對用于開關(guān)應(yīng)用（負載開關(guān)）的MOSFET的需求越來越多，它僅在運行時為電路提供導(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。由于負載開關(guān)的開通和關(guān)斷時間可能慢至幾秒，可使用小電流驅(qū)動MOSFET柵極。

3、MOSFET 驅(qū)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(qū)動非常重要。MOSFET在線性區(qū)（即電壓低于夾斷電壓）中運行時，其導(dǎo)通電阻較低。因此對于開關(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（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 值會增大高頻開關(guān)情況下驅(qū)動損耗對總損耗的比率。

因此必須選擇最佳的 MOSFET 和柵極驅(qū)動電壓。對東芝的眾多功率 MOSFET 而言，通常建議在 VGS為10V驅(qū)動其柵極。東芝的產(chǎn)品系列中還包括用于在VGS為4.5V時驅(qū)動?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)動損耗

如第1.3節(jié)“柵極驅(qū)動功率”中所述，在為 MOSFET 設(shè)計驅(qū)動電路時，對柵極輸入電容充電的驅(qū)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(wěn)態(tài)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(qū)動損耗。MOSFET 在輕負荷應(yīng)用中以高頻開關(guān)時，柵極驅(qū)動損耗會顯著影響其總損耗。在設(shè)計驅(qū)動電路時應(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(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提高MOSFET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(xù)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(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增大MOSFET的開關(guān)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(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)動的注意事項

3.4.1、柵極-發(fā)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(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 4.8顯示了使用不同的柵極電阻器進行開通和關(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 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：

（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(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。

（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MOSFET來實現(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)動到負值，避免其超過 Vth。但這種方法需要負電源。

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 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。

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　　審核編輯：湯梓紅