【導(dǎo)讀】從 MOSFET 技術(shù)和開關(guān)運(yùn)行概述入手，詳細(xì)介紹接地參考和高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)流程，以及交流耦合和變壓器隔離解決方案。該報(bào)告還包含了一個(gè)特殊部分，專門介紹在同步整流器應(yīng)用中 MOSFET 的柵極驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的重要性。
TI 近日發(fā)布了MOSFET 和 IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)器電路的基本原理的應(yīng)用報(bào)告。該報(bào)告對(duì)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(shí)，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(dòng)，以實(shí)現(xiàn)控制電荷的快速嵌入和脫出。從這一點(diǎn)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(dòng)，以實(shí)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(shí)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(gè)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(dòng)，因?yàn)槠淇刂齐姌O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(dòng)電流幾乎為零。而且，控制電荷大量減少，MOSFET 晶體管的存儲(chǔ)時(shí)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(shí)間之間的設(shè)計(jì)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(dòng)電路帶來顯著的經(jīng)濟(jì)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(duì)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?yàn)?MOSFET 具有此正溫度系數(shù)，所以當(dāng)使用單個(gè)器件不現(xiàn)實(shí)或不可能時(shí)，它便是高功率應(yīng)用中 并行運(yùn)行的理想之選。由于通道電阻具有正 TC，因此多個(gè)并聯(lián) MOSFET會(huì)均勻地分配電流。在多個(gè)MOSFET 上會(huì)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電流共享，因?yàn)檎齌C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(huì)產(chǎn)生更多熱量——請(qǐng)別忘了漏源電壓是相等的——并且溫度升高會(huì)增加其 RDS(on) 值。增加電阻會(huì)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(shí)，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(jì)過程
為高速開關(guān)應(yīng)用設(shè)計(jì)高性能柵極驅(qū)動(dòng)電路的系統(tǒng)性應(yīng)用非常重要?？赏ㄟ^以下分步核對(duì)表總結(jié)此過程：
在完成功率級(jí)設(shè)計(jì)并選擇電源組件后，開始柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)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(jí)的不同阻尼器或諧振電路決定。
估算用于描述實(shí)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(shí)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(jí)拓?fù)涞暮线m柵極驅(qū)動(dòng)電流。
確定將用于為柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(jì)（或選擇）柵極驅(qū)動(dòng)變壓器。
如果是交流耦合，計(jì)算耦合電容值。
檢查啟動(dòng)和瞬態(tài)運(yùn)行條件，尤其是在交流耦合柵極驅(qū)動(dòng)電路中。
估算驅(qū)動(dòng)器的dv/dt和di/dt能力，并將其與功率級(jí)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(jì)算可滿足dv/dt和di/dt要求的分量值。
檢查驅(qū)動(dòng)器電路中所有元件的功率損耗。
計(jì)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(shí)檢查最終印刷電路板的柵極驅(qū)動(dòng)波形，查看在柵源極端子和驅(qū)動(dòng)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(dòng)電阻器以調(diào)整諧振電路。
在可靠的設(shè)計(jì)中，應(yīng)針對(duì)最差情況對(duì)這些步驟進(jìn)行評(píng)估，因?yàn)闇厣?、瞬態(tài)電壓和電流應(yīng)力可以給驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行帶來重大變化，最終影響功率 MOSFET 的開關(guān)性能。
