MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案

1、驅(qū)動(dòng)MOSFET

傳統(tǒng)的雙極晶體管是電流驅(qū)動(dòng)的器件，而MOSFET是電壓驅(qū)動(dòng)的器件。

圖1.1示出了雙極晶體管。必須在基極和發(fā)射極之間施加電流，以在集電極中產(chǎn)生電流。圖1.2示出了MOSFET，當(dāng)在柵極和源極端子之間施加電壓時(shí)在漏極中產(chǎn)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(huì)引起電流在柵極中流動(dòng)，除了在柵極充電和放電的瞬態(tài)期間。在實(shí)踐中，柵極會(huì)產(chǎn)生幾毫微安量級(jí)的微小電流。當(dāng)柵極端子和源極端子之間沒有電壓時(shí)，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(dòng)。

1.2、MOSFET特性

MOSFET具有以下特性：

1、由于MOSFET是電壓驅(qū)動(dòng)器件，因此沒有直流電流流入柵極。

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

3、當(dāng)處于穩(wěn)定的開或關(guān)狀態(tài)時(shí)，MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)基本上不消耗功率。

4、從驅(qū)動(dòng)輸出可以看出，MOSFET的柵源極電容隨其內(nèi)部狀態(tài)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(qū)動(dòng)功耗低是MOSFET的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

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(duì)柵極輸入電容被充電，MOSFET的柵極電壓不會(huì)增加，并且當(dāng)MOSFET的柵極電壓在達(dá)到柵極閾值電壓Vth時(shí)，MOSFET才導(dǎo)通。MOSFET的柵極閾值電壓Vth是指在源極和漏極之間產(chǎn)生導(dǎo)電通道所需的最小柵極偏置電壓。

在考慮驅(qū)動(dòng)電路和驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，MOSFET的柵極電荷Qg比其電容更重要。圖1.4所示為提高柵極電壓所需的柵極電荷參數(shù)的定義。

1.2.2、MOSFET柵極電荷的計(jì)算

在MOSFET導(dǎo)通期間，電流流向柵極，對(duì)柵極-源極和圖1.4柵極電荷（阻性負(fù)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(dāng)恒定電流施加到柵極時(shí)獲得的柵極-源極電壓隨時(shí)間的變化曲線。由于柵極電流是恒定的，可以用時(shí)間乘以恒定的柵極電流IG，用柵極電荷Qg表示時(shí)間軸(柵極電荷的計(jì)算計(jì)算公式為Qg=IG×t）。

1.2.3、柵極充電機(jī)制

MOSFET的柵極在施加電壓時(shí)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(dāng)MOSFET連接到感性負(fù)載時(shí)，它會(huì)影響與MOSFET并聯(lián)的二極管的反向恢復(fù)電流以及MOSFET柵極電壓。此處不作解釋。

①、在t0 ~ t1期間，柵極驅(qū)動(dòng)電路通過柵極串聯(lián)電阻R對(duì)柵極-源極電容Cgs和柵極-漏極電容Cgd進(jìn)行充電，直到柵極電壓達(dá)到其閾值Vth。由于Cgs和Cgd并聯(lián)充電，因此滿足以下等式。柵極電壓VGS計(jì)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(shí)間t1為：

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

這表示延遲時(shí)間t1與R（Cgs+Cgd）成比例。

②、在時(shí)間段t1至t2期間，VGS超過Vth，電流在漏極中流動(dòng)，該電流最終成為主電流。Cgs和Cg在此期間繼續(xù)充電。隨著柵極電壓增加，漏極電流增加。在t2處，柵極電壓達(dá)到米勒平臺(tái)電壓。VGS(pl)×t2可以通過用VGS（pl）代替等式⑴中的VGS（t2）來計(jì)算。在時(shí)段t0至t1中，延遲時(shí)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(huì)產(chǎn)生功率損耗。

③、在時(shí)段t2至t3期間，由于米勒效應(yīng)的影響，MOSFET處于放大狀態(tài)，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(zhuǎn)移特性的存在）。當(dāng)柵極電流持續(xù)流過MOSFET時(shí)，漏極電壓在t3達(dá)到其導(dǎo)通電壓（RDS（on）×ID）。由于柵極電壓在該時(shí)段保持恒定，所以驅(qū)動(dòng)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(shí)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(xù)下降，而漏極電流保持不變，因此MOSFET會(huì)產(chǎn)生功率損耗即開通損耗。

④、在時(shí)段t3至t4期間，柵極被充電至過飽和狀態(tài)。Cgs和Cgd都會(huì)被充電，直到柵極電壓（VGS）達(dá)到柵極電源電壓。由于導(dǎo)通瞬態(tài)已經(jīng)消失，因此MOSFET在此期間沒有開關(guān)損耗，但是有導(dǎo)通損耗。

1.3、柵極驅(qū)動(dòng)功率

MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電路消耗的功率與其工作頻率成比例增加。這部分主要介紹柵極驅(qū)動(dòng)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(shè)VGS從0V升至VG（圖1.9中的10 V）。VG足以讓MOSFET導(dǎo)通。MOSFET初始狀態(tài)是關(guān)斷的，當(dāng)VGS從0V變?yōu)閂G時(shí)導(dǎo)通。在該瞬態(tài)開關(guān)周期期間流動(dòng)的柵極電流計(jì)算為：

iG=(VG-VGS)/RG

因此，柵源電壓計(jì)算為VGS=VG-RG×IG。

柵極電荷Qg可以通過隨時(shí)間變化的柵極電流ig的積分來計(jì)算。

Qg=∫ dt

導(dǎo)通期間，柵驅(qū)動(dòng)提供的能量E為：

E=∫ × dt

其中，Vg為驅(qū)動(dòng)電源電壓。由于vg和ig隨時(shí)間的積分是Qgp，

E=VG×Qgp

Qg和ig有如下關(guān)系:iG=dQg/dt。因此，一個(gè)MOSFET在其導(dǎo)通期間EG中柵極積累的能量計(jì)算如下：

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

驅(qū)動(dòng)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(guān)斷期間，柵極中積累的能量會(huì)被柵極電阻消耗掉。

每個(gè)開關(guān)周期消耗的能量E等于驅(qū)動(dòng)電路提供的能量?？梢酝ㄟ^E乘以開關(guān)頻率fsw來計(jì)算柵極驅(qū)動(dòng)電路PG的平均功耗：

柵極驅(qū)動(dòng)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(jì)算的PG值與實(shí)際功率損耗有很大差異。這是因?yàn)镃iss包括具有米勒電容的柵極-漏極電容Cgd，并且是VDS的函數(shù)，還因?yàn)闁艠O-源極電容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向柵極施加高于VTH電壓的能力和對(duì)輸入電容充分充電的驅(qū)動(dòng)能力。本節(jié)描述一個(gè)N溝道MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的示例。

2.1、基本驅(qū)動(dòng)電路

圖2.1顯示了一個(gè)基本的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路。在實(shí)際設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，必須考慮被驅(qū)動(dòng)MOSFET的電容及其使用條件。

2.2、邏輯驅(qū)動(dòng)

由于把MOSFET作為開關(guān)應(yīng)用（負(fù)載開關(guān)）的需求日益增長，MOSFET僅在電路工作時(shí)在電路中提供導(dǎo)電路徑，這樣可以降低電子設(shè)備的功耗。目前，在許多應(yīng)用中，MOSFET直接由一個(gè)邏輯電路或一個(gè)微控制器驅(qū)動(dòng)。

2.3、驅(qū)動(dòng)電壓轉(zhuǎn)換

（1）、將驅(qū)動(dòng)電壓轉(zhuǎn)換為15V

圖2.3顯示了用數(shù)字邏輯驅(qū)動(dòng)MOSFET的示例。當(dāng)MOSFET不能在5V下驅(qū)動(dòng)時(shí)，該電路來提高驅(qū)動(dòng)電壓。R2與柵極電阻R3串聯(lián)增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)電阻，使MOSFET難以在飽和模式下驅(qū)動(dòng)。這降低了MOSFET的開關(guān)速度，因此增加了開關(guān)損耗。相反，減小R2導(dǎo)致在MOSFET關(guān)斷期間有較大的漏極電流ID流向驅(qū)動(dòng)電路，增加驅(qū)動(dòng)電路的功耗。

備注：MOSFET導(dǎo)通的驅(qū)動(dòng)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(diǎn)是，提升驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)增加驅(qū)動(dòng)電路的功耗。這個(gè)問題可以通過增加一個(gè)推挽電路來解決，如圖2.4所示。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)MOSFET的電流不足時(shí)，也使用推挽電路。

2.4、半橋或全橋的高端驅(qū)動(dòng)

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(dǎo)通和關(guān)斷而變化，所以不能讓Q1和Q2的驅(qū)動(dòng)電源共用一個(gè)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(gè)使用高壓器件和自舉電路驅(qū)動(dòng)高邊器件的電路示例。開關(guān)頻率是有限的，這取決于輸出電容和電平轉(zhuǎn)換器的損耗。

2.4.2、脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)（絕緣開關(guān)）

脈沖變壓器的使用無需單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)電源。然而，它在驅(qū)動(dòng)電路的功耗方面具有缺點(diǎn)。脈沖變壓器有時(shí)用于將MOSFET與其驅(qū)動(dòng)器隔離，以保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路免受MOSFET故障的影響。

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

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

2.4.3、使用光耦和浮動(dòng)電源

光耦也可用于驅(qū)動(dòng)MOSFET柵極。光耦輸出需要單獨(dú)的電源。若要使用光耦驅(qū)動(dòng)半橋或全橋的高邊，則需要一個(gè)浮動(dòng)電源。應(yīng)該注意光耦的速度和驅(qū)動(dòng)能力。

3、MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的電源

3.1.變壓器隔離電源

當(dāng)使用MOSFET驅(qū)動(dòng)由上下橋臂構(gòu)成的H橋、三相逆變器或類似的電路時(shí)，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(qū)動(dòng)MOSFET的下臂的電源可以共用。因此，H橋需要三個(gè)電源，而三相橋需要四個(gè)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(dāng)MOSFET由逆變器或類似電路的上臂和下臂驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以在每個(gè)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(duì)電容C充電。下臂MOSFET每次導(dǎo)通時(shí)，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(chǔ)的電荷量有一定的關(guān)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(dòng)使其對(duì)噪聲敏感。因此，在設(shè)計(jì)上臂門電路時(shí)應(yīng)謹(jǐn)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(jí)提升的電壓存儲(chǔ)在電容器中，如圖3所示。當(dāng)MOSFET由上下橋臂構(gòu)成時(shí)，點(diǎn)荷泵可用于驅(qū)動(dòng)高邊。與自舉電路不同，電荷泵對(duì)輸出器件的占空比沒有任何限制。

4. MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的注意事項(xiàng)

4.1. 柵極電壓VGS條件的注意事項(xiàng)

VGS對(duì)于MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)非常重要。

MOSFET的導(dǎo)通阻抗在線性區(qū)域（在電壓低于夾斷電壓）是比較低的。所以，對(duì)于開關(guān)的應(yīng)用，可以通過在低VDS區(qū)域使用MOSFET來降低導(dǎo)通阻抗。

MOSFET的柵極電壓VGS超過閾值電壓Vth時(shí)導(dǎo)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(dǎo)通阻抗（如圖4.4）。但是，高VGS值會(huì)增大高頻開關(guān)情況下驅(qū)動(dòng)損耗對(duì)總損耗的比率。

因此，選擇最佳的MOSFET和柵極驅(qū)動(dòng)電壓至關(guān)重要。對(duì)于東芝的很多MOSFET來說，柵極驅(qū)動(dòng)電壓最好是在10V以上（一般我們會(huì)選擇12V及以上的柵極驅(qū)動(dòng)電壓）。東芝的產(chǎn)品系列中還包括VGS為4.5V的柵極驅(qū)動(dòng)電壓的功率MOSFET。

4.2. 柵極電壓、峰值電流和驅(qū)動(dòng)損耗

如第1.3節(jié)“柵極驅(qū)動(dòng)功率”所述，在設(shè)計(jì)MOSFET驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，驅(qū)動(dòng)損耗和對(duì)柵極輸入電容充電的電流非常重要。由于Qg=∫ dt，開關(guān)周期內(nèi)的平均柵極浪涌電流IG（rush）表示為：

iG(rush)=Qg/tsw

驅(qū)動(dòng)器損耗可以下式計(jì)算：

PG =E×fsw=VG×Qgp×fsw

增加?xùn)艠O電壓可以降低RDS(ON)，從而降低穩(wěn)態(tài)損耗。但是，由于Q=CV，增加?xùn)艠O電壓會(huì)增加Qg，從而增加?xùn)艠O電流和驅(qū)動(dòng)損耗。當(dāng)MOSFET在輕負(fù)載下以高頻開關(guān)時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)損耗顯著影響其總損耗。，這一點(diǎn)在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)應(yīng)該注意。

4.3. 柵極電阻與開關(guān)特性

通常，MOSFET的柵極會(huì)連接一個(gè)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(huì)降低MOSFET的開關(guān)速度。這會(huì)導(dǎo)致功率損耗增加、性能降低和潛在的發(fā)熱問題。然而較小的柵極電阻提高了MOSFET的開關(guān)速度，這也使得MOSFET容易受到電壓浪涌和振蕩的影響，從而導(dǎo)致器件失效和損壞。因此，通過調(diào)節(jié)柵極電阻組織來優(yōu)化MOSFET開關(guān)速度是很重要的。

柵極上升時(shí)間Tg與柵極電阻值Rg有如下關(guān)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(guān)波形。為了模擬實(shí)際電路，在仿真電路中加入了導(dǎo)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(guān)斷波形，將柵極電阻R3分別設(shè)置為歐姆1,10歐姆和50歐姆。圖4.6顯示了仿真結(jié)果。如上所述，降低柵極電阻值以提高振蕩電壓為代價(jià)提高M(jìn)OSFET的開關(guān)速度。反過來，增加?xùn)艠O電阻值會(huì)降低振蕩電壓，但會(huì)降低MOSFET的開關(guān)速度，從而增加其開關(guān)損耗。這是因?yàn)闁艠O電阻值和柵極電壓限制了MOSFET的柵極充電電流。

4.4. 柵極驅(qū)動(dòng)的注意事項(xiàng)

4.4.1. G-S極浪涌電壓保護(hù)

在MOSFET的柵極和源極之間增加一個(gè)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(wěn)壓二極管的電容可能會(huì)有輕微的不利影響。

4.4.2. 最佳柵極電阻

正如第4.3節(jié)“柵極電阻和開關(guān)特性”所討論的，開關(guān)速度隨柵極電阻值而變化。增加?xùn)艠O電阻值會(huì)降低MOSFET的開關(guān)速度并增加其開關(guān)損耗。降低柵極電阻值可以提高M(jìn)OSFET的開關(guān)速度，但由于導(dǎo)線雜散電感等因素的影響，可能會(huì)在漏極和源極之間產(chǎn)生浪涌電壓。

因此，有必要選擇最優(yōu)的柵極電阻。有時(shí)，MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷使用不同的柵級(jí)電阻。圖4.8展示了如何使用不同的柵極電阻進(jìn)行導(dǎo)通和關(guān)斷的示例。

4.4.3. 柵極故障預(yù)防

MOSFET有一個(gè)問題是其漏柵電容引起的寄生導(dǎo)通（自導(dǎo)通）現(xiàn)象。在關(guān)斷時(shí)，在MOSFET的源極和漏極之間會(huì)產(chǎn)生很大的dv/dt。由此產(chǎn)生的電流通過漏極-柵極電容流向柵極。結(jié)果，在柵極電阻兩端產(chǎn)生的壓降提升了柵極電壓。該電流計(jì)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(xiàn)這種情況，可能會(huì)出現(xiàn)自導(dǎo)通。在二極管反向恢復(fù)期間，當(dāng)快速變化的電壓施加到處于關(guān)斷狀態(tài)的MOSFET時(shí)，也可能發(fā)生自導(dǎo)通。

以下是防止自導(dǎo)通現(xiàn)象的三種方法：

（1）在柵極和源極之間增加一個(gè)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(nèi)部的Cgs并聯(lián)，因此柵極電荷會(huì)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(guān)速度不變。但這會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)功率的增加。

（2）增加米勒鉗位電路

米勒鉗位電路使用開關(guān)器件使MOSFET的柵極和源端之間短路。這可以通過在對(duì)應(yīng)MOSFET的柵極和源端之間添加另一個(gè)MOSFET來實(shí)現(xiàn)。在圖4.11中，如果電壓低于預(yù)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(dǎo)通。這會(huì)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。

(3)使用負(fù)電壓來提供柵極驅(qū)動(dòng)電壓，使得其將不超過Vth。這種方法需要負(fù)電源。

我們使用圖4.12所示的電路模擬了一種自開通現(xiàn)象。自導(dǎo)通是由iDG（dv/dt電流）和柵極電阻引起的，并導(dǎo)致產(chǎn)生誤導(dǎo)通。

在反向恢復(fù)模式下，如果Q2在電感負(fù)載電流回流到Q1的二極管時(shí)導(dǎo)通，電感電流流過Q2，導(dǎo)致相關(guān)的二極管關(guān)斷。我們研究了在關(guān)斷狀態(tài)下向MOSFET施加高dv/dt電壓時(shí)會(huì)發(fā)生什么。為了使自導(dǎo)通現(xiàn)象發(fā)生，在圖4.12中只改變了與Q1相關(guān)的柵極電阻R4。