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是金屬氧化物半導體場效應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)應用中使用應用非常重要。

 

MOSFET 晶體管更加容易驅(qū)動，因為其控制電極與導電器件隔離，所以不需要連續(xù)的導通電流。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大幅減少。這基本上消除了導通壓降和關(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.在電源應用中，MOSFET 具有電阻的性質(zhì)。

 

MOSFET 漏源端上的壓降是流入半導體的電流的線性函數(shù)。此線性關(guān)系用 MOSFET 的RDS(on) 來表征，也稱為導通電阻。導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)，所以當使用單個器件不現(xiàn)實或不可能時，它便是高功率應用中 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的作用相當于一種緩慢的負反饋系統(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。增加電阻會導致電流減小，從而降低溫度。最終，當并聯(lián)器件所承載的電流大小相近時，便達到平衡狀態(tài)。RDS(on)  值和不同結(jié)至環(huán)境熱阻的初始容差可導致電流分布出現(xiàn)高達 30% 的重大誤差。

 

設(shè)計過程

 

為高速開關(guān)應用設(shè)計高性能柵極驅(qū)動電路的系統(tǒng)性應用非常重要。可通過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，包括基于應用要求的功率MOSFET的電壓和電流應力、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用電路中功率半導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，必須相應地進行修正。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。

 

應優(yōu)先考慮以下要求：性能、印刷電路板大小、目標成本等。然后選擇符合功率級拓撲的合適柵極驅(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，應針對最差情況對這些步驟進行評估，因為溫升、瞬態(tài)電壓和電流應力可以給驅(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。