1、驅(qū)動MOSFET

1.1、柵極驅(qū)動與基極驅(qū)動

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

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引起電流在柵極中流動，除了在柵極充電和放電的瞬態(tài)期間。在實踐中，柵極會產(chǎn)生幾毫微安量級的微小電流。當(dāng)柵極端子和源極端子之間沒有電壓時，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。

1.2、MOSFET特性

MOSFET具有以下特性：

1、由于MOSFET是電壓驅(qū)動器件，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，MOSFET柵極驅(qū)動基本上不消耗功率。

4、從驅(qū)動輸出可以看出，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)動功耗低是MOSFET的一個優(yōu)點。

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。除非對柵極輸入電容被充電，MOSFET的柵極電壓不會增加，并且當(dāng)MOSFET的柵極電壓在達(dá)到柵極閾值電壓Vth時，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)動電路和驅(qū)動電流時，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柵極電荷的計算

在MOSFET導(dǎo)通期間，電流流向柵極，對柵極-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獲得的柵極-源極電壓隨時間的變化曲線。由于柵極電流是恒定的，可以用時間乘以恒定的柵極電流IG，用柵極電荷Qg表示時間軸(柵極電荷的計算計算公式為Qg=IG×t）。

1.2.3、柵極充電機制

MOSFET的柵極在施加電壓時開始積累電荷。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，它會影響與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)動電路通過柵極串聯(lián)電阻R對柵極-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)，得到門延遲時間t1為：

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

這表示延遲時間t1與R（Cgs+Cgd）成比例。

②、在時間段t1至t2期間，VGS超過Vth，電流在漏極中流動，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)到米勒平臺電壓。VGS(pl)×t2可以通過用VGS（pl）代替等式⑴中的VGS（t2）來計算。在時段t0至t1中，延遲時間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會產(chǎn)生功率損耗。

③、在時段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，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段保持恒定，所以驅(qū)動電流流向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會產(chǎn)生功率損耗即開通損耗。

④、在時段t3至t4期間，柵極被充電至過飽和狀態(tài)。Cgs和Cgd都會被充電，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)動功率

MOSFET柵極驅(qū)動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時導(dǎo)通。在該瞬態(tài)開關(guān)周期期間流動的柵極電流計算為：

iG=(VG-VGS)/RG

因此，柵源電壓計算為VGS=VG-RG×IG。

柵極電荷Qg可以通過隨時間變化的柵極電流ig的積分來計算。

Qg=∫ dt

導(dǎo)通期間，柵驅(qū)動提供的能量E為：

E=∫ × dt

其中，Vg為驅(qū)動電源電壓。由于vg和ig隨時間的積分是Qgp，

E=VG×Qgp

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

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

驅(qū)動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被柵極電阻消耗掉。

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

柵極驅(qū)動電路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，以這種方式計算的PG值與實際功率損耗有很大差異。這是因為Ciss包括具有米勒電容的柵極-漏極電容Cgd，并且是VDS的函數(shù)，還因為柵極-源極電容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向柵極施加高于VTH電壓的能力和對輸入電容充分充電的驅(qū)動能力。本節(jié)描述一個N溝道MOSFET驅(qū)動電路的示例。

2.1、基本驅(qū)動電路

圖2.1顯示了一個基本的MOSFET驅(qū)動電路。在實際設(shè)計驅(qū)動電路時，必須考慮被驅(qū)動MOSFET的電容及其使用條件。

2.2、邏輯驅(qū)動

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直接由一個邏輯電路或一個微控制器驅(qū)動。

2.3、 驅(qū)動電壓轉(zhuǎn)換

（1）、將驅(qū)動電壓轉(zhuǎn)換為15V

圖2.3顯示了用數(shù)字邏輯驅(qū)動MOSFET的示例。當(dāng)MOSFET不能在5V下驅(qū)動時，該電路來提高驅(qū)動電壓。R2與柵極電阻R3串聯(lián)增加?xùn)艠O驅(qū)動電阻，使MOSFET難以在飽和模式下驅(qū)動。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)動電路，增加驅(qū)動電路的功耗。

備注：MOSFET導(dǎo)通的驅(qū)動電壓最好要大于12V，但最好不要超過±20V

(2）、推挽電路

圖2.3所示電路的缺點是，提升驅(qū)動電壓會增加驅(qū)動電路的功耗。這個問題可以通過增加一個推挽電路來解決，如圖2.4所示。

當(dāng)驅(qū)動MOSFET的電流不足時，也使用推挽電路。

2.4、半橋或全橋的高端驅(qū)動

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)動電源共用一個地。

2.4.1、使用高壓器件和自舉電路（例如高壓IC）

圖2.5所示為一個使用高壓器件和自舉電路驅(qū)動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（絕緣開關(guān)）

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

圖2.6顯示了一個簡單電路的例子。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所示電路有一個電容與一個脈沖變壓器串聯(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。

2.4.3、使用光耦和浮動電源

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

3、MOSFET驅(qū)動電路的電源

3.1.變壓器隔離電源

當(dāng)使用MOSFET驅(qū)動由上下橋臂構(gòu)成的H橋、三相逆變器或類似的電路時，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MOSFET的下臂的電源可以共用。因此，H橋需要三個電源，而三相橋需要四個電源。

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)動時，可以在每個相中使用自舉電容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電容C充電。下臂MOSFET每次導(dǎo)通時，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使其對噪聲敏感。因此，在設(shè)計上臂門電路時應(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。電荷泵每一級提升的電壓存儲在電容器中，如圖3所示。當(dāng)MOSFET由上下橋臂構(gòu)成時，點荷泵可用于驅(qū)動高邊。與自舉電路不同，電荷泵對輸出器件的占空比沒有任何限制。

4. MOSFET驅(qū)動電路的注意事項

4.1. 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值會增大高頻開關(guān)情況下驅(qū)動損耗對總損耗的比率。

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

4.2. 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”所述，在設(shè)計MOSFET驅(qū)動電路時，驅(qū)動損耗和對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)動器損耗可以下式計算：

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電壓會增加Qg，從而增加?xùn)艠O電流和驅(qū)動損耗。當(dāng)MOSFET在輕負(fù)載下以高頻開關(guān)時，柵極驅(qū)動損耗顯著影響其總損耗。，這一點在設(shè)計驅(qū)動電路時應(yīng)該注意。

4.3. 柵極電阻與開關(guān)特性

通常，MOSFET的柵極會連接一個限流電阻，其目的是為了抑制浪涌和減少振蕩。較大的柵極電阻會降低MOSFET的開關(guān)速度。這會導(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提高M(jìn)OSFET的開關(guān)速度。反過來，增加?xùn)艠O電阻值會降低振蕩電壓，但會降低MOSFET的開關(guān)速度，從而增加其開關(guān)損耗。這是因為柵極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)動的注意事項

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，MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷使用不同的柵級電阻。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，在MOSFET的源極和漏極之間會產(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，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。但這會導(dǎo)致驅(qū)動功率的增加。

（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。這可以通過在對應(yīng)MOSFET的柵極和源端之間添加另一個MOSFET來實現(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電壓時會發(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。

接下來，如圖4.15所示，我們在MOSFET Q1的柵極和源端之間添加一個電容到如圖4.12所示的電路中。該電容的目的是吸收柵極電流(Cgd?dVDS/dt)，以降低由于柵極電阻產(chǎn)生的柵極電壓，從而降低自導(dǎo)通電壓。

圖4.16展示了改進(jìn)后的波形。由于柵源電容的增加改變了MOSFET的開關(guān)時間，因此其電容和柵極電阻應(yīng)一起調(diào)整。

以上數(shù)據(jù)來源：東芝MOSFET柵極驅(qū)動電路應(yīng)用筆記

5.補充說明

柵極驅(qū)動電路下拉電阻的作用

如下圖所示下來電阻R1的作用：

1、給電路提供泄放回路，確保MOSFET只處于兩態(tài)（開/關(guān)）。

2、在一定程度上防止雷擊和靜電。

這個電阻與閾值電壓有關(guān)。選取原則：太小的話，功耗會較大，同時也不利于MOSFET的導(dǎo)通；太大不利于防止雷擊、浪涌。一般在10K-100K（典型值18K）之內(nèi)，高壓系統(tǒng)可以大一些、低壓系統(tǒng)可以小一些。

審核編輯：黃飛