MOSFET驱动电路分析与设计

通馋电．潦狻】Ｉ：　２０１３年３月２５日第３０卷第２期　Ｔｅｌｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｍａｒ．２５，２０１　３，Ｖｏ１．３０　Ｎｏ．２　文章编号：１００９—３６６４（２０１３）０２—００３４—０４　嘲　ｔ　ＭＯＳＦＥＴ驱动电路分析与设计　包尔恒　（深圳麦格米特电气股份有限公司，广东深圳５１８０５７）　摘要：文中介绍了驱动电流、驱动功耗的计算方法；分析了ＭＯＳＦＥＴ开关过程中电流电压的变化规律；最后对常用　的驱动电路解决方案及其优缺点、设计中需要注意的问题等进行了分析总结。根据ＭＯＳＦＥＴ门级驱动电路的特点及设　计过程中需要考虑的影响因素，为可靠、高性能的ＭＯＳＦＥＴ应用设计提供参考。　关键词：ＭＯｓＦＥＴ；驱动电流；开通关断；驱动电路　中图分类号：Ｕ２７０，ＴＮ８６　文献标识码：Ａ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｆｏｒ　ＭＯＳＦＥＴ　Ｇａｔｅ　Ｄｒｉｖｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ＢＡＯ　Ｅ＞ｈｅｎｇ　（Ｓｈｅｎｚｈｅｎ　ＭＥＧＭＥＥＴ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．Ｓｈｅｎｚｈｅｎ　５　１　８０５７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｒｉｖｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｒｉｖｅｒ　ｐｏｗｅｒ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ；ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｎｄ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ＭＯＳＦＥＴ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ：ｆｉｎａｌｌｙ，ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ　ｔｈｅ　ｃｏｍｍｏｎ　ｄｒｉｖｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ；ｐｒｏｖｉｄｅｄ　ａ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｒｅｌｉａｂｌｅ，ｈｉｇｈ－ｐｅｒｆｏｒｍ—　ａｎｃｅ　ＭＯＳＦＥＴ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｍ０ＳＦＥＴ　ｇａｔｅ　ｄｒｉｖｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｎｄ　ｎｅｅｄ　ｔｏ　ｃｏｎｓｉｄｅｒ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｉｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｄｅｓｉｇｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＭＯＳＦＥＴ；ｄｒｉｖｉｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ；ｔｕｒｎ－ｏｎ　ａｎｄ　ｔｕｒｎ－ｏｆｆ；ｄｒｉｖｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　功率场效应晶体管（简称Ｐｏｗｅｒ　Ｍｏｓｆｅｔ）是所有　全控型电力电子器件中工作频带最宽的一种，因此在　高频化进程中得到广泛应用。ＭＯＳＦＥＴ使用中驱动　电路的设计显得尤为关键，它直接关系到ＭＯＳＦＥＴ　这里需要注意几个容易忽略的问题：（１）内部引线栅极　输人电阻　－，降低了开关速度和ｄｖ／ｄｔ耐受能力；（２）　栅极门槛电压Ｕ，ｒｎ具有负温度系数特性，通常为一７　ｍＶ／℃，高温时门槛电压会降低，在逻辑电平设计应　用中需要考虑，这一特性降低了高温下ＵＧｓ的抗干扰　能力而易引起误导通，同时也使得在更低的门极电压　下才能可靠关断；（３）源极引线电感Ｉ　和漏极引线电　感Ｌｎ在开关过程中会引起应力问题，如ＵＧｓ负压等，　的性能发挥及整体电路的效率和可靠性。　１　ＭＯＳＦＥＴ开关模型及驱动基本要求　１．１　ＭＯＳＦＥＴ开关特性模型　ＭＯＳＦＥＴ的开关特性模型可用图１表示，开关特　性取决于下述三个极间电容的电压变化速度有多快：　Ｃ（　Ｄ—ＣＲＳｓ　ＣＲＳｓ：反馈电容　Ｃｏｓ—Ｃ１ｓｓ—ＣＲｓｓ　ＣｌｓＳ：输入电容　Ｃｍ—Ｃ（　一ＣＲＳｓ　Ｃ（　：输出电容　设计中尽量从布局方面减小引线电感。　１．２　栅极驱动电流计算　计算栅极驱动电流时，要根据ＭＯＳＦＥＴ生产商　提供的栅极电荷　数据计算，ＱＧ可表示为：　ＱＧ＝ＱＧｓ＋（　Ｄ＋Ｑ（）Ｉ）　式中，　：总的栅极电荷；Ｑ“　：栅极一源极电荷；ＱＧ　：栅　极一漏极电荷（Ｍｉｌｌｅｒ）；ＱｏＤ：Ｍｉｌｌｅｒ电容充满后的过充　电荷。　ＭＯＳＦＥＴ门极电荷一栅源电压特性曲线如图２，驱　动电流决定ＭＯＳＦＥＴ导通和截止的速度快慢（栅极　图１　ＭＯＳＦＥＴ的开关特性模型　快速开关需要栅极驱动电路的负载能力足够大，　以在要求时间内完成对等效栅极电容（Ｃ　）的充电。　收稿日期：２０１２—１１－１０　作者简介：包尔恒（１９７１一），男，甘肃定西人，工程师，硕士，主要　从事通信电源的研发工作。　电压的上升和下降时间），优化的上升／下降时间取决　于诸多因素，如ＥＭＩ、开关损耗及开关频率等。ＭＯＳ—　ＦＥＴ导通和截止的速度与栅极电容的充电和放电速　度有关，驱动电流可由下式计算：　（　＝Ｃ口ＵＧｓ　Ｌ　＝Ｑ（　／ｔ　２通譬　潦　】０１３年３月２５日第３｜０卷第２期　：　。　包尔恒：Ｍｏｓ…～’　。　Ｈ１Ｔ驱动电路分析与设计　……………。　ＭａＴｅｒｌｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　２５，２０１３，Ｖｏ１．３０　Ｎｏ．２　图２　ＭＯＳＦＥＴ门极电荷一栅源电压特性曲线　式中，　：总栅极电荷；ＣＥ　：等效栅极电容；ＵＧＳ：栅一源　极间电压；，ｃ：ＭＯＳＦＥＴ在时间ｔ内导通所需驱动电　流。上述公式假设电流使用的是恒流源，若用驱动器　的峰值驱动电流来计算，将会产生一些误差。ＭＯＳ—　ＦＥＴ驱动器驱动能力以输出峰值电流能力来表示，通　常，峰值电流也表示在器件最大偏置电压下的电流，这　意味着如果ＭＯＳＦＥＴ驱动器工作在较低的偏置电　压，峰值电流驱动能力会相应降低。　例：ＱＧ＝２０　ｎＣ，ＵＧｓ＝１２　Ｖ，　导通／截止时间：ｔ＝４０　ｎｓ，　凡＝ＱＧ／ｔ：２０　ｎＣ／４０　ｎｓ＝０．５　Ａ。　这个公式得出的峰值驱动电流为０．５　Ａ。然而，　设计参数中栅极驱动电压为１２　Ｖ，在选择驱动器时，　这个参数应在考虑之中，例如，如果选择的驱动器在　１８　Ｖ时标称电流为０．５　Ａ，则在１２　Ｖ时，其峰值输出　电流将小于０．５　Ａ。因此对于这个应用，应选择峰值　输出电流为１．０　Ａ的驱动器。同时还需考虑在ＭＯＳ—　ＦＥＴ驱动器和功率ＭＯＳＦＥＴ栅极之间使用外部电　阻，这会减小栅极电容的峰值充电电流。　１．３　驱动功耗　对Ｍ　；Ｈ　的栅极电容进行充电和放电需要同样　的能量，Ｍ　订栅极电容充电和放电产生的功耗：　Ｐｃ＝ＣⅡ昵　厂　式中，　为开关频率，由于ＱＧ＝ＣＥ　ＵＧＳ，得到：　Ｐｃ—ＱＧ　厂　表１为某５００　Ｖ／１４　Ａ的ＭＯＳＦＥＴ栅极电容在　数据手册中的典型示例，要注意表中给出的数值与测　试条件有关：栅极电压和漏极电压，这些测试条件影响　着栅极电荷的值。图３为同一ＭＯＳＦＥＴ在不同栅极　和漏极电压下栅极电荷的特性曲线，应确保用来计算　功耗的栅极电荷值也要满足应用条件。　从图３的曲线中选取　＝１０　Ｖ的典型值，得　到总栅极电荷为９８　ｎＣ（ＵＤｓ＝４００　Ｖ）。利用Ｑ＝　ｃＵ关系式，得到栅极电容为９．８　ｎＦ，这大大高于表　１中列出的２．６　ｎＦ的输入电容。这表明当计算栅极　电容值时，总栅极电容值应从总栅极电荷值推导而　来。　．表１　５００Ｗ１４Ａ的Ｍ０　ＥＴ栅极电容在数据手册中的典型数据值　、　、　’　／　—ｒｒ　，　｝　图３不同栅极和漏极电压下栅极电荷的特性曲线　注意：对于一些ＭＯＳＦＥＴ，栅极驱动电压超过８　Ｖ至１０　Ｖ并不会进一步减小ＭＯＳＦＥＴ的通态电阻　（Ｒ阵ｏＮ），由于栅极驱动电压和驱动损耗成比例关系，　减小栅极驱动电压可以减小驱动器的功耗。　２　ＭＯＳＦＥＴ开通及关断过程分析　以感性开关模型Ｂｏｏｓｔ电路（图４）来分析ＭＯＳ—　ＦＥＴ的开通和关断过程。电感用直流电流源表示，在　较短的开关周期内电感电流可以认为保持恒定，二极　管在ＭｏＳ管关断期间为电流提供通路并将ＭＯＳ管　的漏极电压箝位到输出电压。　图４　Ｂｏｏｓｔ电路模型　图５所示，ＭＯＳＦＥＴ开通过程分为４个阶段：（１）　栅极输入电容的电压从０充到　，绝大部分栅极电　流用于给Ｃａ－ｓ充电，ＭＯＳ管漏级电流和漏级电压保持　不变；（２）一旦门极电压达到ＵＴＨ，ＭＯＳＦＥＴ开始承　载电流，该阶段　ｓ电压从ＵＴＨ上升到密勒平台电压　Ｕａｓ　ｕｅ　，ＭＯＳＦＥＴ工作于线性区，漏极电流和门极电　压成比例上升，门极电流流过ＣＧｓ和ＣＧＤ，漏极电压保　持输出电压不变；（３）栅极电压已经充到足够高　（Ｌ，Ｇｓ，￣卅ｌｅｒ），使ＭＯＳ管能够承载全部负载电流而二极　管电流下降到零，驱动电路提供的所有栅极电流用于　通镶电潦技术　２０１３年３月２５日第３Ｏ卷第２期　Ｔｅｌｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｍａｒ．２５，２０１３，Ｖｏ１．３０　Ｎｏ．２　３　ＭＯＳＦＥＴ驱动电路　３．１　以地为参考电平的门极驱动电路　（１）ＰＷＭ控制器直接驱动　用ＰＷＭ控制芯片直接驱动ＭＯＳ管，应注意：　ＰＷＭ控制器或许离ＭＯＳ管比较远，将在布局走线中　引入电感，杂散电感减慢了开关速度，欠阻尼时会导致　驱动波形出现振荡。布局应尽量使ＰＷＭ控制器靠近　ＭｏＳ管且加宽驱动电路的ＰＣＢ走线；ＰＷＭ控制器　的峰值电流驱动能力有限，功耗问题需要关注，尤其在　ｉ　／①：圆　④！④！　图５　ＭＯＳＦＥＴ开通过程　给　ｏ放电使漏源电压迅速下降而栅极电压维持不变　（密勒平台）；（４）该阶段Ｕｃｓ从Ｕ。　．Ｍｉ１ｈ电压上升到最　终的驱动电压，使ＭＯＳ管进入深度饱和，Ｕ＿Ｇｓ电压的最　终幅值决定了最终的通态电阻；栅极电流用于给ＣＧＳ和　ｏ充电，漏极电流不变，随着ＵＧＳ电压的上升，饱和深度　增加而导通电阻减小，所以漏极电压略有降低。　“Ｇ　＼　Ｐ００。　＼．　——　．　Ｕｐｓ　ｌ　①　②　（至；　图６　ＭＯＳＦＥＴ关断过程　关断过程也分为４个阶段（见图６），可参照开通　过程进行分析，这里不再详述。　・３６・　频率较高的情况下；旁路电容需就近跨接在驱动器的　电源引脚和地引脚之间，通常取值０．１—１　Ｆ；在ＮＰＮ　双级性输出级情况下，外并肖特基二极管为反向谐振　电流（寄生电感和ＭＯＳ管结电容的振荡电流）提供通　路以保护输出级。　（２）双极性图腾柱驱动器　该驱动电路特点：增大了峰值电流驱动能力，解决　了ＰＷＭ控制器直接驱动时的功耗问题；紧靠ＭＯＳ　管放置，减小了驱动环路面积和杂散电感；分立的驱动　电路需要独立的旁路电容，为提高噪声抑制能力，两个　旁路电容之间需串平波电阻Ｒ或者电感；两个ＰＮ结　互相保护可防止反向击穿。　（３）加速（关断）电路　通常驱动加速电路是指关断加速，因为ＭｏＳ管　的开通过程通常伴随续流二极管的关断过程（如　Ｂｏｏｓｔ电路），ＭＯＳ管的开通速度受限于二极管的反　向恢复特性，与驱动电路本身的驱动能力关系不大。　ＭｏＳ管的关断速度取决于栅极驱动电路，关断时　从ＭＯＳ管栅极流出的电流越大，栅极输入电容放电　越快，开关时间越短，开关损耗越低；更大的放电电流　可以通过减小放电回路的阻抗或者关断时在栅极施加　负压得到。但同时应注意：越快的关断速度伴随Ｍ（Ｉ）Ｓ　管呈现更高的ｄｉ／ｄｔ和ｄｖ／ｄｔ，关断加速电路有可能增　加波形的振荡，带来电应力超标和ＥＭＩ等问题，下面　介绍两种简单常用的加速关断电路。　（ａ）反并联二极管关断电路中，Ｒ＇脏的大小调节开　通速度，Ｄ【肝在关断栅极放电电流较大（　＞　～／　ＲＧＡＴＥ）时起作用，减小了关断时间，并改善了ｄｒ￣ｄｒ抗扰　性；栅极放电电流仍然必须流过驱动器的输出阻抗。　（ｂ）ＰＮＰ三极管关断电路，　ＡＴＥ可以调节开通速　度，ＤｏＮ为开通电流提供通路，同时箝位保护Ｑ　基射　结在开通过程中反向击穿；该电路最主要的优点是关　断三极管的导通把关断电流限制在最小的环路内，从　而旁路了栅极驱动环路杂散电感、可能的电流采样电　阻和驱动器的输出阻抗，减小了驱动器的功耗；Ｑ（　不　会进入饱和状态，能够快速开关；门极电压被箝在　ＵⅨｗ＋０．７　Ｖ和ＧＮＤ－０．７　Ｖ，消除了过压应力风险；　由于Ｑ肝的基射结压降使得门极电压不能达到０。　２０１３年３月２５日第３０卷第２期　通　潦术　包尔恒：ＭｏｓＦＥＴ驱动电路分析与设计　…一‘　一一　……………’　Ｔｅｌｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　．　。　３．２　高压侧非隔离门级驱动　这种驱动方式目前常用自举栅极驱动ＩＣ实现，通　常用于驱动桥式电路桥臂上下管，常见的如ＩＲ２１８１４　等。应用中需要注意：由于杂散电感的影响，关断过程　中高压侧ＭＯＳ管源极Ｕｓ（桥臂上下管的中点电位）对　ＣＯＭ可能出现负压，导致驱动ＩＣ进入锁定状态；起　动和负载动态时，防止自举电容电压降低到触发欠压　锁定保护；注意控制地和功率地分离；布局中尽量减小　栅极和自举电路的高峰值电流环路。　３．３　容性耦合门极驱动电路　电容　在关断时为栅极提供负向驱动电压一　，　提高了关断速度，改善了ＭＯＳ管的ｄｒ￣ｄｒ抗扰性，降　低了高频开关应用中受干扰误开通的可能性；Ｃｃ电容　的分压导致正向驱动电压降低为ＵＤＲＶ—Ｕ　，开通速度　降低，ＭＯＳ管饱和深度减小，导致更高的Ｒ　。　；最大　的负向电压可通过齐纳二极管箝位限制；　＝ＵＤＲ、，Ｄ，　在小占空比时会出现负压过小，大占空比下电容电压　过高导致驱动电压不足，设计中要折中考虑。　３．４　变压器耦合驱动　在自举驱动ＩＣ出现以前，常用驱动变压器驱动桥　式电路的上下管，变压器驱动应用最多的场合在于原　副边隔离驱动，目前两种方式都有使用，各有特点：Ｉ　．如　图　ｍ　７　Ｃ　驱动简单，但存在开关延迟，不能单独进行原副边隔离　驱动；驱动变压器可以忽略开关延迟，但电路器件和设　计略显复杂，原副边隔离驱动最常用。　（１）单端变压器　该电路常用于单输出ＰＷＭ控制器驱动不共地的　高端ＭＯＳＦＥＴ，和原边绕组串联的耦合电容在ＭＯＳ　管关断时为励磁电感提供复位电压；占空比的突变对　励磁电感ＬＭ和耦合电容　组成的ＬＣ谐振槽是一个　动态激励，通常情况下，和电容串联的小阻值电阻Ｒ　可以衰减这个振荡（注意该电阻包括驱动器的输出阻　抗，是个等效电阻）；耦合电容电压的临界阻尼响应将　需要一个不合理的高阻值电阻，从而影响开关速度，而　欠阻尼响应会引起过高的栅源电压应力；根据谐振电　路特征阻抗可以得出电阻阻值，耦合电容电压的动态　时间常数及驱动器的输出电流波形如下：　Ｒ　≥２层　一２￣ｒｆＤＲｖＬＭＲＧｓＣｃ　‘　２ａ＇ｌｆＤＲｖＬＭ＋ＲＧＳ　从图７可以看出，输出电流的阴影部分对应驱动　器输出为低电平，输出电流应该为负，但由于励磁电流　分量变化较为缓慢，实际输出电流为正，因此驱动ＩＣ　的输出需要处理双向电流。如果驱动器为双极性输出　级（电流只能单向流动），需要在驱动芯片输出端加肖　特基二极管进行保护；在占空比变化范围较宽的应用　中，大占空比下耦合电容电压增加，则关断时负向电压　Ｍａｒ．２５，２０１３，ｖＯ１．３０　Ｎｏ．２　增加但开通时正向驱动电压降低，在副边增加ｃ　和　箝位二极管Ｄ　可以在副边恢复初始驱动电压幅值。　如果要得到较大的断态负向电压，则可在二极管上再　串联一齐纳二极管。　‰。口　口　口　变压器的设计需要考虑：驱动变压器虽属于功率　小（不需考虑热问题），但流过驱动ＭＯＳＦＥＴ是高峰　值电流；考虑在所有运行条件下的伏秒积，避免饱和，　通常取稳态运行情况下的最大峰值磁密为饱和磁密的　１／３；磁芯常用高磁导率的铁氧体材料以增大励磁电　感、减小励磁电流；绕组绕制和排列尽可能减小漏感以　减小开关时间延迟。　（２）双端变压器　大功率半桥或全桥电路拓扑中常用的双端变压器　驱动电路。电路不需交流耦合电容，占空比及器件差　异引起的不对称可通过驱动器输出阻抗（或者和驱动　变压器原边绕组串联的小阻值电阻）得到补偿；在移相　调制应用的动态过程中ＰＷＭ输出有可能无法产生　５０　占空比导致占空比出现不对称，磁密设计需要预　留一定的余量；驱动变压器副边通常需要加本地关断　电路，尤其在高频应用中，由于驱动变压器的漏感对快　速变化的驱动信号呈现高阻抗，本地关断电路可以提　高关断速度、减少关断损耗和提高ｄｕ／ｄｔ抗扰性。　４结论　本文介绍了门级驱动电路的特点及设计过程中需　要考虑的影响因素，为可靠、高性能的Ｍ　应用设　计提供参考。当然，门极驱动电路不止上述类型，但文　中的原理和方法同样有助于其它方案的理解和分析。　参考文献：　Ｅ１Ｊ　Ｌａｓｚｌｏ　Ｂａｌｏｇｈ．Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｇｕｉｄｅ　ｆｏｒ　Ｈｉｇｈ　Ｓｐｅｅｄ　ＭＯＳＦＥＴ　Ｇａｔｅ　Ｄｒｉｖｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ｒＺ］．Ｔｅｘａｓ　Ｉｎｓｔｒｕ—　ｍｅｎｔｓ，２００２．　Ｅ２］Ｊａｍｉｅ　Ｄｕｎｎ．ＭＯＳＦＥＴ驱动器与ＭＯＳＦＥＴ的匹配设计　［ｚ］．Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｃ．２００６．　Ｉ－３］林渭勋．现代电力电子电路．杭州：浙江大学出版社．　２００２．　１－４］　ｗ．Ａｎｄｒｅｙｃａｋ．Ｐｒａｃｔｉｃａｌ　Ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　Ｈｉｇｈ　Ｐｅｒｆｏｒｍ－　ａｎｃｅ　ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴ　ａｎｄ　ＭＣＴ　Ｇａｔｅ　Ｄｒｉｖｅ　ＣｉｒｃｕｉｔｓＥｚ］．　Ｕｎｉｔｒｏｄｅ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｎｏｔｅ　Ｕ　１３７，２００８．　・３７・