MOSFET柵極驅(qū)動電路應(yīng)用設(shè)計

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1、驅(qū)動MOSFET

1.1、柵極驅(qū)動與基極驅(qū)動

常規(guī)的雙極（晶體管）是（電流）（驅(qū)動器）件，而MOSFET是電壓驅(qū)動器件。

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，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）。實踐中，柵極中會產(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，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

MOSFET有以下特點：

a、由于MOSFET是電壓驅(qū)動器件，因此無直流電流流入柵極。

b、要開通MOSFET，必須對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，MOSFET柵極驅(qū)動基本無功耗。

d、通過驅(qū)動器輸出看到的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)動所需的功耗較低是MOSFET作為開關(guān)器件的優(yōu)勢。此外也提供專為低電壓驅(qū)動設(shè)計的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。除非對柵極輸入電容充電，否則MOSFET的柵極電壓不會增大，而且在柵極電壓達(dá)到柵極閾值電壓Vth之前，MOSFET不會開通。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)動電路）和驅(qū)動電流時，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.

計算MOSFET柵極電荷

MOSFET開啟期間，電流流到其柵極，對柵源電容和柵漏電容充電。圖1.5顯示了柵極電荷的測試電路。圖1.6顯示了對柵極端子施加恒定電流時獲得的柵源電壓隨時間變化的曲線。由于柵電流恒定，可將時間乘以恒定柵電流IG，以柵極電荷Qg表示時間軸。（柵極電荷的計算公式是Qg＝IG×t。）

1.2.3.

柵極充（電機）理

對MOSFET施加電壓時，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，它會影響與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時間段內(nèi)，柵極驅(qū)動電路通過柵極串聯(lián)（電阻器）R對柵源電容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Cgs和Cg充電。柵極電壓上升時，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)，可計算出VGS(pl).t2。在t0-t1期間，延遲時間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。在整個主柵電流流過MOSFET時，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不會出現(xiàn)開關(guān)損耗。

1.3．柵極驅(qū)動功率

MOSFET柵極驅(qū)動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時開通。在此瞬態(tài)開關(guān)期間流過的柵電流計算如下：

從驅(qū)動電源供應(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。

每個開關(guān)事件消耗的能量E等于驅(qū)動電路供應(yīng)的能量。將E乘以開關(guān)頻率fsw，可計算出柵極驅(qū)動電路PG的平均功耗：

柵極驅(qū)動電路的平均功耗Pg也可以用輸入電容表示為：

但這樣計算得出的PG值和實際功率損耗有很大出入。這是因為CISS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)動電路示例

MOSFET驅(qū)動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)動能力。本節(jié)說明了N通道MOSFET的驅(qū)動電路示例。

2.1、基本驅(qū)動電路

圖2.1所示為MOS