MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用設(shè)計(jì)

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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。 ?

編輯部：黃飛

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