MOSFET栅极驱动电路应用设计

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1、驱动MOSFET

1.1、栅极驱动与基极驱动

常规的双极晶体管是电流驱动器件，而MOSFET 是电压驱动器件。   图 1.1 所示为双极晶体管。要在集电极中产生电流，必须在基极端子和发射极端子之间施加电流。图1.2 所示为 MOSFET，在栅极端子和源极端子之间施加电压时，MOSFET 在漏极中产生电流。

MOSFET 的栅极是一层二氧化硅。由于该栅极与源极隔离，向栅极端子施加直流电压理论上不会在栅极中产生电流（在栅极充电和放电的瞬态产生的电流除外）。实践中，栅极中会产生几纳安的微弱电流。当栅极端子和源极端子之间无电压时，由于漏源极阻抗极高，因此漏极中除泄漏电流之外无电流。

1.2. MOSFET的特点

MOSFET 有以下特点：

a、由于MOSFET 是电压驱动器件，因此无直流电流流入栅极。

b、要开通MOSFET，必须对栅极施加高于额定栅极阈值电压Vth的电压。

c、处于稳态开启或关断状态时，MOSFET栅极驱动基本无功耗。

d、通过驱动器输出看到的 MOSFET栅源电容根据其内部状态而有所不同。

MOSFET 通常被用作频率范围从几kHz到几百 kHz 的开关器件。栅极驱动所需的功耗较低是MOSFET作为开关器件的优势。此外也提供专为低电压驱动设计的MOSFET。

1.2.1. 栅极电荷

可将MOSFET的栅极视为电容。图 1.3 所示为 MOSFET 中的不同电容。除非对栅极输入电容充电，否则MOSFET的栅极电压不会增大，而且在栅极电压达到栅极阈值电压Vth之前，MOSFET不会开通。MOSFET的栅极阈值电压Vth是在其源极和漏极区域之间产生传导通道所需的最小栅偏压。  

考虑驱动电路和驱动电流时，MOSFET的栅极电荷 Qg 比其电容更加重要。图 1.4 所示为增加栅极电压所需的栅极电荷的参数定义。

1.2.2. 计算MOSFET栅极电荷

MOSFET开启期间，电流流到其栅极，对栅源电容和栅漏电容充电。图1.5显示了栅极电荷的测试电路。图1.6显示了对栅极端子施加恒定电流时获得的栅源电压随时间变化的曲线。由于栅电流恒定，可将时间乘以恒定栅电流IG，以栅极电荷Qg表示时间轴。（栅极电荷的计算公式是Qg＝IG×t。）  

1.2.3. 栅极充电机理

对MOSFET施加电压时，其栅极开始积累电荷。图1.7所示为栅极充电电路和栅极充电波形。将MOSFET连接到电感负载时，它会影响与MOSFET并联的二极管中的反向恢复电流以及MOSFET栅极电压。此处不作解释。

a、在t0-t1时间段内，栅极驱动电路通过栅极串联电阻器R对栅源电容Cgs和栅漏电容Cgd充电，直到栅极电压达到其阈值Vth。由于Cgs和Cgd是并联充电，因此满足以下公式。

b、在t1－t2期间，VGS超过Vth，导致漏极中产生电流，最终成为主电流。在此期间，继续对Cgs和Cg充电。栅极电压上升时，漏极电流增大。在 t2，栅极电压达到米勒电压，在公式(1)中用 VGS(pl)代替VGS(t2)，可计算出VGS(pl).t2。在t0-t1期间，延迟时间t2和R(Cgs＋Cgd)成正比。

c、在t2-t3期间，VGS(pl)电压处的VGS受米勒效应影响保持恒定。栅极电压保持恒定。在整个主栅电流流过MOSFET时，漏极电压在t3达到其导通电压（RDS(ON)×ID）。由于在此期间栅极电压保持恒定，因此驱动电流流向Cgd而非Cgs。在此期间Cgd（Qdg）中积累的电荷数等于流向栅电路的电流与电压下降时间（t3－t2）的乘积：  

d、在t3-t4期间，向栅极充电使其达到过饱和状态。对Cgs和Cgd充电，直到栅极电压（VGS）达到栅极供电电压。由于开通瞬态已经消失，在此期间MOSFET不会出现开关损耗。

1.3．栅极驱动功率

MOSFET栅极驱动电路消耗的功率随着其频率而成比例地增大。本节介绍了栅极驱动电路（图1.8中所示）的功耗。  

在图1.8中，通过栅极电阻器R1在MOSFET的栅极端子和源极端子之间施加了栅极脉冲电压 VG。假设VGS从0V升高至VG（图1.9为的10V）。VG足以开通MOSFET。MOSFET一开始处于关断状态，在VGS从0V升高至VG时开通。在此瞬态开关期间流过的栅电流计算如下：

从驱动电源供应的能量减去在栅极中积累的能量可以得出栅极电阻器消耗的能量。

关断期间，在栅极中积累的能量就是栅极电阻器消耗的能量。

每个开关事件消耗的能量E等于驱动电路供应的能量。将E乘以开关频率fsw，可计算出栅极驱动电路PG的平均功耗：

栅极驱动电路的平均功耗Pg也可以用输入电容表示为：  

但这样计算得出的 PG 值和实际功率损耗有很大出入。这是因为CISS包括具有米勒电容的栅漏电容 CGD，因此是VDS的函数，且栅源电容CGS是VGS的函数。

2、MOSFET栅极驱动电路示例

MOSFET 驱动电路的基本要求包括能够向栅极施加明显高于Vth的电压，并有为输入电容完全充电的驱动能力。本节说明了N通道MOSFET的驱动电路示例。   2.1、基本驱动电路   图 2.1 所示为MOSFET基本驱动电路。在实践中，设计驱动电路时必须考虑要驱动的MOSFET 电容及其使用条件。  

编辑部：黄飞