TI 近日發(fā)布了MOSFET 和 IGBT 柵極驅(qū)動器電路的基本原理的應(yīng)用報告。該報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。

 

MOSFET 簡介

 

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。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，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，以實現(xiàn)控制電荷的快速嵌入和脫出。從這一點來看，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，以實現(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主要優(yōu)勢：

 

1.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，因為其控制電極與導(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)動電流幾乎為零。而且，控制電荷大量減少，MOSFET 晶體管的存儲時間也相應(yīng)大幅減少。這基本上消除了導(dǎo)通壓降和關(guān)斷時間之間的設(shè)計權(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)動電路帶來顯著的經(jīng)濟效益。

 

2.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。正因為 MOSFET 具有此正溫度系數(shù)，所以當(dāng)使用單個器件不現(xiàn)實或不可能時，它便是高功率應(yīng)用中 并行運行的理想之選。由于通道電阻具有正 TC，因此多個并聯(lián) MOSFET會均勻地分配電流。在多個MOSFET 上會自動實現(xiàn)電流共享，因為正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——并且溫度升高會增加其 RDS(on) 值。增加電阻會導(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，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。

 

設(shè)計過程

 

為高速開關(guān)應(yīng)用設(shè)計高性能柵極驅(qū)動電路的系統(tǒng)性應(yīng)用非常重要?？赏ㄟ^以下分步核對表總結(jié)此過程：

 

在完成功率級設(shè)計并選擇電源組件后，開始柵極驅(qū)動設(shè)計過程。

 

采集所有相關(guān)的工作參數(shù)。具體來說，包括基于應(yīng)用要求的功率MOSFET的電壓和電流應(yīng)力、工作結(jié)溫度以及與功率MOSFET周圍外部電路相關(guān)的dv/dt和di/dt極限，這些參數(shù)通常由功率級的不同阻尼器或諧振電路決定。

 

估算用于描述實際應(yīng)用電路中功率半導(dǎo)體的寄生分量值的所有器件參數(shù)。數(shù)據(jù)表中列出的值通常是在不現(xiàn)實的室溫測試條件下產(chǎn)生中，必須相應(yīng)地進(jìn)行修正。這些參數(shù)包括器件電容、總柵極電荷、RDS(on) 、閾值電壓、米勒平坦區(qū)域電壓、內(nèi)部柵極網(wǎng)狀電阻等。

 

應(yīng)優(yōu)先考慮以下要求：性能、印刷電路板大小、目標(biāo)成本等。然后選擇符合功率級拓?fù)涞暮线m柵極驅(qū)動電流。

 

確定將用于為柵極驅(qū)動電路供電的偏置電壓電平，并檢查電壓是否足以將MOSFET的RDS(on) 降至最低。

 

根據(jù)目標(biāo)上電dv/dt和所需的開通和關(guān)斷開關(guān)速度，選擇驅(qū)動器IC、柵源極電阻值和串聯(lián)柵極電阻RGATE。

 

根據(jù)需要設(shè)計（或選擇）柵極驅(qū)動變壓器。

 

如果是交流耦合，計算耦合電容值。

 

檢查啟動和瞬態(tài)運行條件，尤其是在交流耦合柵極驅(qū)動電路中。

 

估算驅(qū)動器的dv/dt和di/dt能力，并將其與功率級確定的值進(jìn)行比較。

 

根據(jù)需要增加一種關(guān)斷電路，并計算可滿足dv/dt和di/dt要求的分量值。

 

檢查驅(qū)動器電路中所有元件的功率損耗。

 

計算旁路電容值。

 

優(yōu)化印刷電路板布局，最大程度地減小寄生電感。

 

隨時檢查最終印刷電路板的柵極驅(qū)動波形，查看在柵源極端子和驅(qū)動器IC輸出端有無過度振鈴。

 

增加保護(hù)或根據(jù)需要更換柵極驅(qū)動電阻器以調(diào)整諧振電路。

 

在可靠的設(shè)計中，應(yīng)針對最差情況對這些步驟進(jìn)行評估，因為溫升、瞬態(tài)電壓和電流應(yīng)力可以給驅(qū)動器的運行帶來重大變化，最終影響功率 MOSFET 的開關(guān)性能。