MOSFET驱动器在各种电子电路中的应用

时间：2024-07-21 22:37:49

关键字： MOSFET 驱动器晶体管

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[导读]MOSFET驱动器是一种电子设备，用于控制金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的开关操作。它提供所需的电压和电流来驱动MOSFET，确保其能够快速、准确地切换。

MOSFET 驱动器是一种电子设备，用于控制金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的开关操作。它提供所需的电压和电流来驱动MOSFET，确保其能够快速、准确地切换。MOSFET驱动器在各种电子应用中得到广泛应用，包括电机控制、功率转换、照明系统和无线通信等领域。

1.什么是MOSFET驱动器

MOSFET驱动器是一种专门设计用于控制MOSFET的电路或模块。MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)是一种常见的半导体器件，具有高度可控性和低开关损耗的特点。然而，为了实现MOSFET的最佳性能，需要提供适当的电压和电流来驱动它们。

MOSFET驱动器的主要功能是提供正确的电压和电流波形，确保MOSFET能够在最佳工作区域内快速开启和关闭。它通常由输入逻辑电平转换电路、驱动电路和输出级别转换电路等组成，以适应不同的应用需求。

2.MOSFET驱动器的作用

MOSFET驱动器在各种电子应用中起到重要的作用，具有以下几方面的作用：

信号放大：MOSFET驱动器能够将输入信号(如来自微控制器或其他逻辑电路)放大至足够的电压和电流水平，以满足MOSFET的驱动需求。这样可以确保MOSFET能够可靠地切换，并提供所需的功率转换和控制功能。

快速开关操作：MOSFET驱动器能够以高速响应的方式控制MOSFET的开关操作。它提供瞬态电流来快速充放电MOSFET的栅极电容，从而实现快速的开关速度。这对于一些要求高频率操作的应用，如变频驱动器和无线通信系统，非常重要。

保护功能：MOSFET驱动器通常还包括一些保护功能，用于防止MOSFET受到过电流、过温和过压等不良条件的损坏。它可以监测并限制电流、提供短路保护，并在需要时自动关闭MOSFET，以保护整个系统的稳定性和安全性。

电源隔离：一些高性能MOSFET驱动器还具有电源隔离功能，可以提供与输入信号和输出电路之间的电气隔离。这样可以避免潜在的干扰和噪声问题，并增加系统的可靠性和安全性。

3.MOSFET驱动器的特点

MOSFET驱动器具有以下几个特点，使其在各种应用中得到广泛应用：

高速开关：MOSFET驱动器能够以快速响应的方式控制MOSFTFET的开关操作，实现快速的开关速度和响应时间。

高功率驱动：MOSFET驱动器能够提供足够的电流和电压来驱动高功率的MOSFET器件。它具有较低的输出阻抗和较高的驱动能力，确保MOSFET能够有效地工作在高电流和高功率条件下。

灵活性和可调性：MOSFET驱动器具有较大的输入信号范围和可调的输出特性。它可以适应不同的输入电平和要求，并根据应用需求进行调节和优化。这种灵活性使得MOSFET驱动器能够在各种应用中满足不同的需求。

保护功能：许多MOSFET驱动器具有丰富的保护功能，包括过电流保护、短路保护、过温保护和过压保护等。这些保护功能可以有效地保护MOSFET和整个系统免受损坏，提高系统的可靠性和安全性。

低功耗设计：一些MOSFET驱动器采用了低功耗设计，以减少能量损耗和提高效率。它们采用先进的功率管理技术和节能策略，最大限度地降低静态功耗和开关损耗，从而提高系统的效率和性能。

集成和模块化设计：随着技术的发展，越来越多的MOSFET驱动器采用了集成和模块化的设计。这样可以简化系统设计和布局，并提高可靠性和稳定性。集成和模块化的MOSFET驱动器还通常具有较小的尺寸和更好的热管理能力。

综上所述，MOSFET驱动器是一种用于控制MOSFET开关操作的电子设备。它具有提供正确的电压和电流波形、快速开关操作、保护功能、电源隔离等特点。MOSFET驱动器在许多应用中发挥着重要的作用，如电机控制、功率转换和无线通信等领域。通过优化MOSFET的驱动方式和特性，MOSFET驱动器能够提供高效率、高功率和可靠性的驱动解决方案，满足各种复杂的电子系统需求。

1、驱动MOSFET

1.1、栅极驱动与基极驱动

传统的双极晶体管是电流驱动的器件，而MOSFET是电压驱动的器件。

图1.1示出了双极晶体管。必须在基极和发射极之间施加电流，以在集电极中产生电流。图1.2示出了MOSFET，当在栅极和源极端子之间施加电压时在漏极中产生电流。MOSFET的栅极由氧化硅层组成。由于栅极与源极是绝缘的，所以在栅极端子上施加直流电压理论上不会引起电流在栅极中流动，除了在栅极充电和放电的瞬态期间。在实践中，栅极会产生几毫微安量级的微小电流。当栅极端子和源极端子之间没有电压时，由于漏极-源极的阻抗非常高，除了漏电流之外，没有电流在漏极中流动。

1.2、MOSFET特性

MOSFET具有以下特性：

1、由于MOSFET是电压驱动器件，因此没有直流电流流入栅极。

2、为了让MOSFET导通，必须向栅极施加高于额定栅极阈值电压Vth的电压。

3、当处于稳定的开或关状态时，MOSFET栅极驱动基本上不消耗功率。

4、从驱动输出可以看出，MOSFET的栅源极电容随其内部状态的变化而变化。

MOSFET通常的工作频率范围从几kHz到几百kHz。栅极驱动功耗低是MOSFET的一个优点。

1.2.1、栅极电荷

可将MOSFET的栅极看作电容。图1.3所示为MOSFET中的不同电容。除非对栅极输入电容被充电，MOSFET的栅极电压不会增加，并且当MOSFET的栅极电压在达到栅极阈值电压Vth时，MOSFET才导通。MOSFET的栅极阈值电压Vth是指在源极和漏极之间产生导电通道所需的最小栅极偏置电压。

在考虑驱动电路和驱动电流时，MOSFET的栅极电荷Qg比其电容更重要。图1.4所示为提高栅极电压所需的栅极电荷参数的定义。

1.2.2、MOSFET栅极电荷的计算

在MOSFET导通期间，电流流向栅极，对栅极-源极和图1.4栅极电荷(阻性负载)栅极-漏极电容充电。图1.5显示了栅极电荷的测试电路。图1.6显示了当恒定电流施加到栅极时获得的栅极-源极电压随时间的变化曲线。由于栅极电流是恒定的，可以用时间乘以恒定的栅极电流IG，用栅极电荷Qg表示时间轴(栅极电荷的计算计算公式为Qg=IG×t)。

1.2.3、栅极充电机制

MOSFET的栅极在施加电压时开始积累电荷。图1.7显示了栅极充电电路和栅极充电波形。当MOSFET连接到感性负载时，它会影响与MOSFET并联的二极管的反向恢复电流以及MOSFET栅极电压。此处不作解释。

①、在t0 ~ t1期间，栅极驱动电路通过栅极串联电阻R对栅极-源极电容Cgs和栅极-漏极电容Cgd进行充电，直到栅极电压达到其阈值Vth。由于Cgs和Cgd并联充电，因此满足以下等式。栅极电压VGS计算公式为：

VGS(t)= VG(1-exp(-t/(R(Cgs+Cgd ))) (1)

因此，用Vth代替VGS(t1)，得到门延迟时间t1为：

t1=R(Cgs+Cgd)ln(VG /(VG-Vth))

这表示延迟时间t1与R(Cgs+Cgd)成比例。

②、在时间段t1至t2期间，VGS超过Vth，电流在漏极中流动，该电流最终成为主电流。Cgs和Cg在此期间继续充电。随着栅极电压增加，漏极电流增加。在t2处，栅极电压达到米勒平台电压。VGS(pl)×t2可以通过用VGS(pl)代替等式⑴中的VGS(t2)来计算。在时段t0至t1中，延迟时间t2与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)))

由于漏极电流的存在，所以MOSFET会产生功率损耗。

③、在时段t2至t3期间，由于米勒效应的影响，MOSFET处于放大状态，VGS保持并恒定在VGS(pl)电压。栅极电压保持恒定(由于MOS的固有转移特性的存在)。当栅极电流持续流过MOSFET时，漏极电压在t3达到其导通电压(RDS(on)×ID)。由于栅极电压在该时段保持恒定，所以驱动电流流向Cgd，而不是Cgs。在此期间累积在Cgd(Qgd)中的电荷等于流过栅极电路的电流与电压下降时间(t3-t2)的乘积：

Qgd=(VG-VGS(pl))/R・(t3-t2)

因此, t3-t2=QgdRG/(VG-VGS(pl))

由于在此期间漏极电压持续下降，而漏极电流保持不变，因此MOSFET会产生功率损耗即开通损耗。

④、在时段t3至t4期间，栅极被充电至过饱和状态。Cgs和Cgd都会被充电，直到栅极电压(VGS)达到栅极电源电压。由于导通瞬态已经消失，因此MOSFET在此期间没有开关损耗，但是有导通损耗。

1.3、栅极驱动功率

MOSFET栅极驱动电路消耗的功率与其工作频率成比例增加。这部分主要介绍栅极驱动电路的功耗，如图1.8所示。

在图1.8中，栅极脉冲电压VG通过栅极电阻R1施加在MOSFET的栅极和源极之间。假设VGS从0V升至VG(图1.9中的10 V)。VG足以让MOSFET导通。MOSFET初始状态是关断的，当VGS从0V变为VG时导通。在该瞬态开关周期期间流动的栅极电流计算为：

iG=(VG-VGS)/RG

因此，栅源电压计算为VGS=VG-RG×IG。

栅极电荷Qg可以通过随时间变化的栅极电流ig的积分来计算。

Qg=∫ dt

导通期间，栅驱动提供的能量E为：

E=∫ × dt

其中，Vg为驱动电源电压。由于vg和ig随时间的积分是Qgp，

E=VG×Qgp

Qg和ig有如下关系:iG=dQg/dt。因此，一个MOSFET在其导通期间EG中栅极积累的能量计算如下：

栅极电荷是vGS 在整个Qg(从0到Qgp)范围内的积分,如图1.10所示。

驱动电源提供的能量减去栅极中积累的能量就是被栅极电阻器消耗能量。

在关断期间，栅极中积累的能量会被栅极电阻消耗掉。

每个开关周期消耗的能量E等于驱动电路提供的能量。可以通过E乘以开关频率fsw来计算栅极驱动电路PG的平均功耗：

栅极驱动电路PG的平均功耗也可用输入电容表示为PG=E×fsw=Ciss×(VG)2×fsw。然而，以这种方式计算的PG值与实际功率损耗有很大差异。这是因为Ciss包括具有米勒电容的栅极-漏极电容Cgd，并且是VDS的函数，还因为栅极-源极电容Cgs是VGS的函数。

2、MOSFET栅极驱动电路示例

MOSFET驱动电路的基本要求包括向栅极施加高于VTH电压的能力和对输入电容充分充电的驱动能力。本节描述一个N沟道MOSFET驱动电路的示例。

2.1、基本驱动电路

图2.1显示了一个基本的MOSFET驱动电路。在实际设计驱动电路时，必须考虑被驱动MOSFET的电容及其使用条件。

2.2、逻辑驱动

由于把MOSFET作为开关应用(负载开关)的需求日益增长，MOSFET仅在电路工作时在电路中提供导电路径，这样可以降低电子设备的功耗。目前，在许多应用中，MOSFET直接由一个逻辑电路或一个微控制器驱动。

2.3、驱动电压转换

(1)、将驱动电压转换为15V

图2.3显示了用数字逻辑驱动MOSFET的示例。当MOSFET不能在5V下驱动时，该电路来提高驱动电压。R2与栅极电阻R3串联增加栅极驱动电阻，使MOSFET难以在饱和模式下驱动。这降低了MOSFET的开关速度，因此增加了开关损耗。相反，减小R2导致在MOSFET关断期间有较大的漏极电流ID流向驱动电路，增加驱动电路的功耗。

备注：MOSFET导通的驱动电压最好要大于12V，但最好不要超过±20V

(2)、推挽电路

图2.3所示电路的缺点是，提升驱动电压会增加驱动电路的功耗。这个问题可以通过增加一个推挽电路来解决，如图2.4所示。

当驱动MOSFET的电流不足时，也使用推挽电路。

2.4、半桥或全桥的高端驱动

图2.5展示了如何在半桥或全桥配置中使用MOSFET。为了接通上管Q1，必须向其栅极施加较高电压。

由于Q1的源极电压随着下管Q2的导通和关断而变化，所以不能让Q1和Q2的驱动电源共用一个地。

2.4.1、使用高压器件和自举电路(例如高压IC)

图2.5所示为一个使用高压器件和自举电路驱动高边器件的电路示例。开关频率是有限的，这取决于输出电容和电平转换器的损耗。

2.4.2、脉冲变压器驱动(绝缘开关)

脉冲变压器的使用无需单独的驱动电源。然而，它在驱动电路的功耗方面具有缺点。脉冲变压器有时用于将MOSFET与其驱动器隔离，以保护驱动电路免受MOSFET故障的影响。

图2.6显示了一个简单电路的例子。本电路中齐纳二极管的作用是快速复位脉冲变压器。图2.7所示的电路有一个额外的PNP晶体管，以提高开关性能。

图2.8所示电路有一个电容与一个脉冲变压器串联，以便在MOSFET关断期间向MOSFET施加反向偏置，从而提高开关速度。由于电容阻断了DC偏置，因此其还防止脉冲变压器达到饱和点。

2.4.3、使用光耦和浮动电源

光耦也可用于驱动MOSFET栅极。光耦输出需要单独的电源。若要使用光耦驱动半桥或全桥的高边，则需要一个浮动电源。应该注意光耦的速度和驱动能力。

3、MOSFET驱动电路的电源

3.1.变压器隔离电源

当使用MOSFET驱动由上下桥臂构成的H桥、三相逆变器或类似的电路时，上桥臂和下桥臂的电源必须彼此隔离。

图3.1显示了使用变压器的电源示例。

驱动MOSFET的下臂的电源可以共用。因此，H桥需要三个电源，而三相桥需要四个电源。

3.2.自举电路

由二极管和电容器组成的自举电路可以用来代替浮地电源。当MOSFET由逆变器或类似电路的上臂和下臂驱动时，可以在每个相中使用自举电容C，如图3.2所示，而不是浮置电源。最初，必须接通下臂中的器件以通过虚线的路径从下臂的电源对电容C充电。下臂MOSFET每次导通时，电容C通过该路径充电。由于上臂器件的占空比与电容C上存储的电荷量有一定的关系，因此上臂的占空比存在限制。与输出电压的情况一样，上臂的栅极电压波动使其对噪声敏感。因此，在设计上臂门电路时应谨慎。