高速開關(guān)應(yīng)用的MOSFET和IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器電路的基本原理和資料說明

　　本應(yīng)用報(bào)告旨在展示一種為高速開關(guān)應(yīng)用設(shè)計(jì)的高性能柵極驅(qū)動(dòng)電路 應(yīng)用非常重要。這是一個(gè)內(nèi)容詳實(shí)的主題集，可為您提供解決最常見設(shè)計(jì)難題的“一站式服務(wù)”。因此，它可為具有不同經(jīng)驗(yàn)的電子產(chǎn)品工程師提供強(qiáng)大幫助。本報(bào)告對目前較為流行的電路解決方案及其性能進(jìn)行了分析，包括寄生器件的影響、瞬態(tài)和極端工作條件。本文從 MOSFET 技術(shù)和開關(guān)運(yùn)行概述入手，按照由易而難的順序，對各類問題進(jìn)行了闡述。詳細(xì)介紹了接地參考和高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)流程，以及交流耦合和變壓器隔離解決方案。

　　MOSFET – 是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的首字母縮寫詞，它是電子行業(yè)高頻高效開關(guān)領(lǐng)域的 關(guān)鍵 組件。讓人稱奇的是，F(xiàn)ET 技術(shù)發(fā)明于 1930 年，比雙極晶體管要早大約 20 年。第一個(gè)信號級 FET 晶體管誕生于 20 世紀(jì) 50 年代末期，而功率 MOSFET 則誕生于 70 年代中期。如今，從微處理器到“分立式”功率晶體管在內(nèi)的各種現(xiàn)代電子組件均集成了數(shù)以百萬計(jì)的 MOSFET 晶體管。本報(bào)告重點(diǎn)介紹了各種開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中功率 MOSFET 的柵極驅(qū)動(dòng) 應(yīng)用非常重要。

　　雙極晶體管和 MOSFET 晶體管的工作原理相同。從根本上說，這兩種晶體管都是電荷控制器件，這就意味著它們的輸出電流與控制電極在半導(dǎo)體中形成的電荷成比例。將這些器件用作開關(guān)時(shí)，都必須由能夠提供足夠灌入和拉出電流的低阻抗源來驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)控制電荷的快速嵌入和脫出。從這一點(diǎn)來看，在開關(guān)期間，MOSFET 必須以類似于雙極晶體管的形式進(jìn)行“硬”驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)可媲美的開關(guān)速度。從理論上來說，雙極晶體管和 MOSFET 器件的開關(guān)速度幾乎相同，這取決于電荷載流子在半導(dǎo)體區(qū)域中傳輸所需的時(shí)間。功率器件的典型值大約為 20 至 200 皮秒，具體取決于器件大小。

　　MOSFET 技術(shù)在數(shù)字和功率應(yīng)用領(lǐng)域的普及 得益于 它與雙極結(jié)晶體管相比所具有的兩個(gè)主要優(yōu)勢。其中一個(gè)優(yōu)勢是，MOSFET 器件在高頻開關(guān)應(yīng)用中使用 應(yīng)用非常重要。MOSFET 晶體管更加容易驅(qū)動(dòng)，因?yàn)槠淇刂齐姌O與導(dǎo)電器件隔離，所以不需要連續(xù)的導(dǎo)通電流。一旦 MOSFET 晶體管開通，它的驅(qū)動(dòng)電流幾乎為零。而且，控制電荷大量減少，MOSFET 晶體管的存儲(chǔ)時(shí)間也相應(yīng)大幅減少。這基本上消除了導(dǎo)通壓降和關(guān)斷時(shí)間之間的設(shè)計(jì)權(quán)衡問題，而開通狀態(tài)壓降與控制電荷成反比。因此，與雙極器件相比，MOSFET 技術(shù)預(yù)示著使用更簡單且更高效的驅(qū)動(dòng)電路帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。此外，需要特別強(qiáng)調(diào)突出的是，在電源 應(yīng)用中，MOSFET 具有電阻的性質(zhì)。MOSFET 漏源端上的壓降是流入半導(dǎo)體的電流的線性函數(shù)。此線性關(guān)系用 MOSFET 的 RDS（on） 來表征，也稱為導(dǎo)通電阻。導(dǎo)通電阻對指定柵源極電壓和器件溫度來說是恒定的。與 p-n 結(jié) -2.2mV/°C 的溫度系數(shù)不同，MOSFET 的溫度系數(shù)為正值，約為 0.7%/°C 至 1%/°C。正因?yàn)?MOSFET 具有此正溫度系數(shù)，所以當(dāng)使用單個(gè)器件不現(xiàn)實(shí)或不可能時(shí)，它便是高功率 應(yīng)用中 并行運(yùn)行的理想之選。由于通道電阻具有正 TC，因此多個(gè)并聯(lián) MOSFET 會(huì)均勻地分配電流。在多個(gè) MOSFET 上會(huì)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電流共享，因?yàn)檎?TC 的作用相當(dāng)于一種緩慢的負(fù)反饋系統(tǒng)。載流更大的器件會(huì)產(chǎn)生更多熱量 - 請別忘了漏源電壓是相等的 – 并且溫度升高會(huì)增加其 RDS（on） 值。增加電阻會(huì)導(dǎo)致電流減小，從而降低溫度。最終，當(dāng)并聯(lián)器件所承載的電流大小相近時(shí)，便達(dá)到平衡狀態(tài)。RDS（on） 值和不同結(jié)至環(huán)境熱阻的初始容差可導(dǎo)致電流分布出現(xiàn)高達(dá) 30% 的重大誤差。