MOSFET驅(qū)動(dòng)器在各種電子電路中的應(yīng)用

MOSFET驅(qū)動(dòng)器是一種電子設(shè)備，用于控制金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)的開(kāi)關(guān)操作。它提供所需的電壓和電流來(lái)驅(qū)動(dòng)MOSFET，確保其能夠快速、準(zhǔn)確地切換。MOSFET驅(qū)動(dòng)器在各種電子應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用，包括電機(jī)控制、功率轉(zhuǎn)換、照明系統(tǒng)和無(wú)線(xiàn)通信等領(lǐng)域。

1.什么是MOSFET驅(qū)動(dòng)器

MOSFET驅(qū)動(dòng)器是一種專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于控制MOSFET的電路或模塊。MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)是一種常見(jiàn)的半導(dǎo)體器件，具有高度可控性和低開(kāi)關(guān)損耗的特點(diǎn)。然而，為了實(shí)現(xiàn)MOSFET的最佳性能，需要提供適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏鱽?lái)驅(qū)動(dòng)它們。

MOSFET驅(qū)動(dòng)器的主要功能是提供正確的電壓和電流波形，確保MOSFET能夠在最佳工作區(qū)域內(nèi)快速開(kāi)啟和關(guān)閉。它通常由輸入邏輯電平轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動(dòng)電路和輸出級(jí)別轉(zhuǎn)換電路等組成，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。

2.MOSFET驅(qū)動(dòng)器的作用

MOSFET驅(qū)動(dòng)器在各種電子應(yīng)用中起到重要的作用，具有以下幾方面的作用：

信號(hào)放大：MOSFET驅(qū)動(dòng)器能夠?qū)⑤斎胄盘?hào)(如來(lái)自微控制器或其他邏輯電路)放大至足夠的電壓和電流水平，以滿(mǎn)足MOSFET的驅(qū)動(dòng)需求。這樣可以確保MOSFET能夠可靠地切換，并提供所需的功率轉(zhuǎn)換和控制功能。

快速開(kāi)關(guān)操作：MOSFET驅(qū)動(dòng)器能夠以高速響應(yīng)的方式控制MOSFET的開(kāi)關(guān)操作。它提供瞬態(tài)電流來(lái)快速充放電MOSFET的柵極電容，從而實(shí)現(xiàn)快速的開(kāi)關(guān)速度。這對(duì)于一些要求高頻率操作的應(yīng)用，如變頻驅(qū)動(dòng)器和無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，非常重要。

保護(hù)功能：MOSFET驅(qū)動(dòng)器通常還包括一些保護(hù)功能，用于防止MOSFET受到過(guò)電流、過(guò)溫和過(guò)壓等不良條件的損壞。它可以監(jiān)測(cè)并限制電流、提供短路保護(hù)，并在需要時(shí)自動(dòng)關(guān)閉MOSFET，以保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

電源隔離：一些高性能MOSFET驅(qū)動(dòng)器還具有電源隔離功能，可以提供與輸入信號(hào)和輸出電路之間的電氣隔離。這樣可以避免潛在的干擾和噪聲問(wèn)題，并增加系統(tǒng)的可靠性和安全性。

3.MOSFET驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)

MOSFET驅(qū)動(dòng)器具有以下幾個(gè)特點(diǎn)，使其在各種應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用：

高速開(kāi)關(guān)：MOSFET驅(qū)動(dòng)器能夠以快速響應(yīng)的方式控制MOSFTFET的開(kāi)關(guān)操作，實(shí)現(xiàn)快速的開(kāi)關(guān)速度和響應(yīng)時(shí)間。

高功率驅(qū)動(dòng)：MOSFET驅(qū)動(dòng)器能夠提供足夠的電流和電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)高功率的MOSFET器件。它具有較低的輸出阻抗和較高的驅(qū)動(dòng)能力，確保MOSFET能夠有效地工作在高電流和高功率條件下。

靈活性和可調(diào)性：MOSFET驅(qū)動(dòng)器具有較大的輸入信號(hào)范圍和可調(diào)的輸出特性。它可以適應(yīng)不同的輸入電平和要求，并根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)節(jié)和優(yōu)化。這種靈活性使得MOSFET驅(qū)動(dòng)器能夠在各種應(yīng)用中滿(mǎn)足不同的需求。

保護(hù)功能：許多MOSFET驅(qū)動(dòng)器具有豐富的保護(hù)功能，包括過(guò)電流保護(hù)、短路保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)等。這些保護(hù)功能可以有效地保護(hù)MOSFET和整個(gè)系統(tǒng)免受損壞，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。

低功耗設(shè)計(jì)：一些MOSFET驅(qū)動(dòng)器采用了低功耗設(shè)計(jì)，以減少能量損耗和提高效率。它們采用先進(jìn)的功率管理技術(shù)和節(jié)能策略，最大限度地降低靜態(tài)功耗和開(kāi)關(guān)損耗，從而提高系統(tǒng)的效率和性能。

集成和模塊化設(shè)計(jì)：隨著技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的MOSFET驅(qū)動(dòng)器采用了集成和模塊化的設(shè)計(jì)。這樣可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和布局，并提高可靠性和穩(wěn)定性。集成和模塊化的MOSFET驅(qū)動(dòng)器還通常具有較小的尺寸和更好的熱管理能力。

綜上所述，MOSFET驅(qū)動(dòng)器是一種用于控制MOSFET開(kāi)關(guān)操作的電子設(shè)備。它具有提供正確的電壓和電流波形、快速開(kāi)關(guān)操作、保護(hù)功能、電源隔離等特點(diǎn)。MOSFET驅(qū)動(dòng)器在許多應(yīng)用中發(fā)揮著重要的作用，如電機(jī)控制、功率轉(zhuǎn)換和無(wú)線(xiàn)通信等領(lǐng)域。通過(guò)優(yōu)化MOSFET的驅(qū)動(dòng)方式和特性，MOSFET驅(qū)動(dòng)器能夠提供高效率、高功率和可靠性的驅(qū)動(dòng)解決方案，滿(mǎn)足各種復(fù)雜的電子系統(tǒng)需求。

1、驅(qū)動(dòng)MOSFET

1.1、柵極驅(qū)動(dòng)與基極驅(qū)動(dòng)

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(méi)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(méi)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(méi)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(kāi)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(cè)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(xiàn)。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(kāi)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(guò)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(mǎn)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(mén)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(guò)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(guò)用VGS(pl)代替等式⑴中的VGS(t2)來(lái)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(guò)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(guò)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(kāi)通損耗。

④、在時(shí)段t3至t4期間，柵極被充電至過(guò)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(méi)有開(kāi)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(guò)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(kāi)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(guò)隨時(shí)間變化的柵極電流ig的積分來(lái)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(kāi)關(guān)周期消耗的能量E等于驅(qū)動(dòng)電路提供的能量。可以通過(guò)E乘以開(kāi)關(guān)頻率fsw來(lái)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(kāi)關(guān)應(yīng)用(負(fù)載開(kāi)關(guān))的需求日益增長(zhǎng)，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(lái)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(kāi)關(guān)速度，因此增加了開(kāi)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(guò)±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(wèn)題可以通過(guò)增加一個(gè)推挽電路來(lái)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(kāi)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(kāi)關(guān))

脈沖變壓器的使用無(wú)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(jiǎn)單電路的例子。本電路中齊納二極管的作用是快速?gòu)?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(kāi)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(kāi)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(lèi)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(lái)代替浮地電源。當(dāng)MOSFET由逆變器或類(lèi)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(guò)虛線(xiàn)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(guò)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(mén)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(méi)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(xiàn)性區(qū)域(在電壓低于夾斷電壓)是比較低的。所以，對(duì)于開(kāi)關(guān)的應(yīng)用，可以通過(guò)在低VDS區(qū)域使用MOSFET來(lái)降低導(dǎo)通阻抗。

MOSFET的柵極電壓VGS超過(guò)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(kāi)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(lái)說(shuō)，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。