MOSFET 和 IGBT 栅极驱动器电路的基本原理

MOSFET是金属氧化物半导体场效应晶体管的首字母缩写词，它是电子行业高频高效开关领域的关键组件。双极晶体管和 MOSFET 晶体管的工作原理相同。从根本上说，这两种晶体管都是电荷控制器件，这就意味着它们的输出电流与控制电极在半导体中形成的电荷成比例。将这些器件用作开关时，都必须由能够提供足够灌入和拉出电流的低阻抗源来驱动，以实现控制电荷的快速嵌入和脱出。从这一点来看，在开关期间，MOSFET 必须以类似于双极晶体管的形式进行“硬”驱动，以实现可媲美的开关速度。从理论上来说，双极晶体管和 MOSFET 器件的开关速度几乎相同，这取决于电荷载流子在半导体区域中传输所需的时间。功率器件的典型值大约为 20 至 200 皮秒，具体取决于器件大小。

MOSFET 技术在数字和功率应用领域的普及得益于它与双极结晶体管相比所具有的两个主要优势：

1.MOSFET 器件在高频开关应用中使用应用非常重要。

MOSFET 晶体管更加容易驱动，因为其控制电极与导电器件隔离，所以不需要连续的导通电流。一旦MOSFET 晶体管开通，它的驱动电流几乎为零。而且，控制电荷大量减少，MOSFET 晶体管的存储时间也相应大幅减少。这基本上消除了导通压降和关断时间之间的设计权衡问题，而开通状态压降与控制电荷成反比。因此，与双极器件相比，MOSFET 技术预示着使用更简单且更高效的驱动电路带来显著的经济效益。

2.在电源应用中，MOSFET 具有电阻的性质。

MOSFET 漏源端上的压降是流入半导体的电流的线性函数。此线性关系用 MOSFET 的R_DS(on) 来表征，也称为导通电阻。导通电阻对指定栅源极电压和器件温度来说是恒定的。与 p-n 结 -2.2mV/°C 的温度系数不同，MOSFET 的温度系数为正值，约为 0.7%/°C 至 1%/°C。正因为 MOSFET 具有此正温度系数，所以当使用单个器件不现实或不可能时，它便是高功率应用中 并行运行的理想之选。由于通道电阻具有正 TC，因此多个并联 MOSFET会均匀地分配电流。在多个MOSFET 上会自动实现电流共享，因为正TC的作用相当于一种缓慢的负反馈系统。载流更大的器件会产生更多热量——请别忘了漏源电压是相等的——并且温度升高会增加其 R_DS(on) 值。增加电阻会导致电流减小，从而降低温度。最终，当并联器件所承载的电流大小相近时，便达到平衡状态。R_DS(on)  值和不同结至环境热阻的初始容差可导致电流分布出现高达 30% 的重大误差。

为高速开关应用设计高性能栅极驱动电路的系统性应用非常重要。可通过以下分步核对表总结此过程：

• 在完成功率级设计并选择电源组件后，开始栅极驱动设计过程。

   

• 采集所有相关的工作参数。具体来说，包括基于应用要求的功率MOSFET的电压和电流应力、工作结温度以及与功率MOSFET周围外部电路相关的dv/dt和di/dt极限，这些参数通常由功率级的不同阻尼器或谐振电路决定。

   

• 估算用于描述实际应用电路中功率半导体的寄生分量值的所有器件参数。数据表中列出的值通常是在不现实的室温测试条件下产生中，必须相应地进行修正。这些参数包括器件电容、总栅极电荷、R_DS(on) 、阈值电压、米勒平坦区域电压、内部栅极网状电阻等。

   

• 应优先考虑以下要求：性能、印刷电路板大小、目标成本等。然后选择符合功率级拓扑的合适栅极驱动电流。

   

• 确定将用于为栅极驱动电路供电的偏置电压电平，并检查电压是否足以将MOSFET的R_DS(on) 降至最低。

   

• 根据目标上电dv/dt和所需的开通和关断开关速度，选择驱动器IC、栅源极电阻值和串联栅极电阻RGATE。

   

• 根据需要设计（或选择）栅极驱动变压器。

   

• 如果是交流耦合，计算耦合电容值。

   

• 检查启动和瞬态运行条件，尤其是在交流耦合栅极驱动电路中。

   

• 估算驱动器的dv/dt和di/dt能力，并将其与功率级确定的值进行比较。

   

• 根据需要增加一种关断电路，并计算可满足dv/dt和di/dt要求的分量值。

   

• 检查驱动器电路中所有元件的功率损耗。

   

• 计算旁路电容值。

   

• 优化印刷电路板布局，最大程度地减小寄生电感。

   

• 随时检查最终印刷电路板的栅极驱动波形，查看在栅源极端子和驱动器IC输出端有无过度振铃。

   

• 增加保护或根据需要更换栅极驱动电阻器以调整谐振电路。

在可靠的设计中，应针对最差情况对这些步骤进行评估，因为温升、瞬态电压和电流应力可以给驱动器的运行带来重大变化，最终影响功率 MOSFET 的开关性能。