MOSFET驅(qū)動器在各種電子電路中的應(yīng)用

時間：2024-07-21 22:37:49

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[導(dǎo)讀]MOSFET驅(qū)動器是一種電子設(shè)備，用于控制金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的開關(guān)操作。它提供所需的電壓和電流來驅(qū)動MOSFET，確保其能夠快速、準(zhǔn)確地切換。

MOSFET 驅(qū)動器是一種電子設(shè)備，用于控制金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的開關(guān)操作。它提供所需的電壓和電流來驅(qū)動MOSFET，確保其能夠快速、準(zhǔn)確地切換。MOSFET驅(qū)動器在各種電子應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用，包括電機控制、功率轉(zhuǎn)換、照明系統(tǒng)和無線通信等領(lǐng)域。

1.什么是MOSFET驅(qū)動器

MOSFET驅(qū)動器是一種專門設(shè)計用于控制MOSFET的電路或模塊。MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)是一種常見的半導(dǎo)體器件，具有高度可控性和低開關(guān)損耗的特點。然而，為了實現(xiàn)MOSFET的最佳性能，需要提供適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏鱽眚?qū)動它們。

MOSFET驅(qū)動器的主要功能是提供正確的電壓和電流波形，確保MOSFET能夠在最佳工作區(qū)域內(nèi)快速開啟和關(guān)閉。它通常由輸入邏輯電平轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動電路和輸出級別轉(zhuǎn)換電路等組成，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。

2.MOSFET驅(qū)動器的作用

MOSFET驅(qū)動器在各種電子應(yīng)用中起到重要的作用，具有以下幾方面的作用：

信號放大：MOSFET驅(qū)動器能夠?qū)⑤斎胄盘?如來自微控制器或其他邏輯電路)放大至足夠的電壓和電流水平，以滿足MOSFET的驅(qū)動需求。這樣可以確保MOSFET能夠可靠地切換，并提供所需的功率轉(zhuǎn)換和控制功能。

快速開關(guān)操作：MOSFET驅(qū)動器能夠以高速響應(yīng)的方式控制MOSFET的開關(guān)操作。它提供瞬態(tài)電流來快速充放電MOSFET的柵極電容，從而實現(xiàn)快速的開關(guān)速度。這對于一些要求高頻率操作的應(yīng)用，如變頻驅(qū)動器和無線通信系統(tǒng)，非常重要。

保護(hù)功能：MOSFET驅(qū)動器通常還包括一些保護(hù)功能，用于防止MOSFET受到過電流、過溫和過壓等不良條件的損壞。它可以監(jiān)測并限制電流、提供短路保護(hù)，并在需要時自動關(guān)閉MOSFET，以保護(hù)整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

電源隔離：一些高性能MOSFET驅(qū)動器還具有電源隔離功能，可以提供與輸入信號和輸出電路之間的電氣隔離。這樣可以避免潛在的干擾和噪聲問題，并增加系統(tǒng)的可靠性和安全性。

3.MOSFET驅(qū)動器的特點

MOSFET驅(qū)動器具有以下幾個特點，使其在各種應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用：

高速開關(guān)：MOSFET驅(qū)動器能夠以快速響應(yīng)的方式控制MOSFTFET的開關(guān)操作，實現(xiàn)快速的開關(guān)速度和響應(yīng)時間。

高功率驅(qū)動：MOSFET驅(qū)動器能夠提供足夠的電流和電壓來驅(qū)動高功率的MOSFET器件。它具有較低的輸出阻抗和較高的驅(qū)動能力，確保MOSFET能夠有效地工作在高電流和高功率條件下。

靈活性和可調(diào)性：MOSFET驅(qū)動器具有較大的輸入信號范圍和可調(diào)的輸出特性。它可以適應(yīng)不同的輸入電平和要求，并根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)節(jié)和優(yōu)化。這種靈活性使得MOSFET驅(qū)動器能夠在各種應(yīng)用中滿足不同的需求。

保護(hù)功能：許多MOSFET驅(qū)動器具有豐富的保護(hù)功能，包括過電流保護(hù)、短路保護(hù)、過溫保護(hù)和過壓保護(hù)等。這些保護(hù)功能可以有效地保護(hù)MOSFET和整個系統(tǒng)免受損壞，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。

低功耗設(shè)計：一些MOSFET驅(qū)動器采用了低功耗設(shè)計，以減少能量損耗和提高效率。它們采用先進(jìn)的功率管理技術(shù)和節(jié)能策略，最大限度地降低靜態(tài)功耗和開關(guān)損耗，從而提高系統(tǒng)的效率和性能。

集成和模塊化設(shè)計：隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多的MOSFET驅(qū)動器采用了集成和模塊化的設(shè)計。這樣可以簡化系統(tǒng)設(shè)計和布局，并提高可靠性和穩(wěn)定性。集成和模塊化的MOSFET驅(qū)動器還通常具有較小的尺寸和更好的熱管理能力。

綜上所述，MOSFET驅(qū)動器是一種用于控制MOSFET開關(guān)操作的電子設(shè)備。它具有提供正確的電壓和電流波形、快速開關(guān)操作、保護(hù)功能、電源隔離等特點。MOSFET驅(qū)動器在許多應(yīng)用中發(fā)揮著重要的作用，如電機控制、功率轉(zhuǎn)換和無線通信等領(lǐng)域。通過優(yōu)化MOSFET的驅(qū)動方式和特性，MOSFET驅(qū)動器能夠提供高效率、高功率和可靠性的驅(qū)動解決方案，滿足各種復(fù)雜的電子系統(tǒng)需求。

1、驅(qū)動MOSFET

1.1、柵極驅(qū)動與基極驅(qū)動

傳統(tǒng)的雙極晶體管是電流驅(qū)動的器件，而MOSFET是電壓驅(qū)動的器件。

圖1.1示出了雙極晶體管。必須在基極和發(fā)射極之間施加電流，以在集電極中產(chǎn)生電流。圖1.2示出了MOSFET，當(dāng)在柵極和源極端子之間施加電壓時在漏極中產(chǎn)生電流。MOSFET的柵極由氧化硅層組成。由于柵極與源極是絕緣的，所以在柵極端子上施加直流電壓理論上不會引起電流在柵極中流動，除了在柵極充電和放電的瞬態(tài)期間。在實踐中，柵極會產(chǎn)生幾毫微安量級的微小電流。當(dāng)柵極端子和源極端子之間沒有電壓時，由于漏極-源極的阻抗非常高，除了漏電流之外，沒有電流在漏極中流動。

1.2、MOSFET特性

MOSFET具有以下特性：

1、由于MOSFET是電壓驅(qū)動器件，因此沒有直流電流流入柵極。

2、為了讓MOSFET導(dǎo)通，必須向柵極施加高于額定柵極閾值電壓Vth的電壓。

3、當(dāng)處于穩(wěn)定的開或關(guān)狀態(tài)時，MOSFET柵極驅(qū)動基本上不消耗功率。

4、從驅(qū)動輸出可以看出，MOSFET的柵源極電容隨其內(nèi)部狀態(tài)的變化而變化。

MOSFET通常的工作頻率范圍從幾kHz到幾百kHz。柵極驅(qū)動功耗低是MOSFET的一個優(yōu)點。

1.2.1、柵極電荷

可將MOSFET的柵極看作電容。圖1.3所示為MOSFET中的不同電容。除非對柵極輸入電容被充電，MOSFET的柵極電壓不會增加，并且當(dāng)MOSFET的柵極電壓在達(dá)到柵極閾值電壓Vth時，MOSFET才導(dǎo)通。MOSFET的柵極閾值電壓Vth是指在源極和漏極之間產(chǎn)生導(dǎo)電通道所需的最小柵極偏置電壓。

在考慮驅(qū)動電路和驅(qū)動電流時，MOSFET的柵極電荷Qg比其電容更重要。圖1.4所示為提高柵極電壓所需的柵極電荷參數(shù)的定義。

1.2.2、MOSFET柵極電荷的計算

在MOSFET導(dǎo)通期間，電流流向柵極，對柵極-源極和圖1.4柵極電荷(阻性負(fù)載)柵極-漏極電容充電。圖1.5顯示了柵極電荷的測試電路。圖1.6顯示了當(dāng)恒定電流施加到柵極時獲得的柵極-源極電壓隨時間的變化曲線。由于柵極電流是恒定的，可以用時間乘以恒定的柵極電流IG，用柵極電荷Qg表示時間軸(柵極電荷的計算計算公式為Qg=IG×t)。

1.2.3、柵極充電機制

MOSFET的柵極在施加電壓時開始積累電荷。圖1.7顯示了柵極充電電路和柵極充電波形。當(dāng)MOSFET連接到感性負(fù)載時，它會影響與MOSFET并聯(lián)的二極管的反向恢復(fù)電流以及MOSFET柵極電壓。此處不作解釋。

①、在t0 ~ t1期間，柵極驅(qū)動電路通過柵極串聯(lián)電阻R對柵極-源極電容Cgs和柵極-漏極電容Cgd進(jìn)行充電，直到柵極電壓達(dá)到其閾值Vth。由于Cgs和Cgd并聯(lián)充電，因此滿足以下等式。柵極電壓VGS計算公式為：

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

因此，用Vth代替VGS(t1)，得到門延遲時間t1為：

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

這表示延遲時間t1與R(Cgs+Cgd)成比例。

②、在時間段t1至t2期間，VGS超過Vth，電流在漏極中流動，該電流最終成為主電流。Cgs和Cg在此期間繼續(xù)充電。隨著柵極電壓增加，漏極電流增加。在t2處，柵極電壓達(dá)到米勒平臺電壓。VGS(pl)×t2可以通過用VGS(pl)代替等式⑴中的VGS(t2)來計算。在時段t0至t1中，延遲時間t2與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)))

由于漏極電流的存在，所以MOSFET會產(chǎn)生功率損耗。

③、在時段t2至t3期間，由于米勒效應(yīng)的影響，MOSFET處于放大狀態(tài)，VGS保持并恒定在VGS(pl)電壓。柵極電壓保持恒定(由于MOS的固有轉(zhuǎn)移特性的存在)。當(dāng)柵極電流持續(xù)流過MOSFET時，漏極電壓在t3達(dá)到其導(dǎo)通電壓(RDS(on)×ID)。由于柵極電壓在該時段保持恒定，所以驅(qū)動電流流向Cgd，而不是Cgs。在此期間累積在Cgd(Qgd)中的電荷等于流過柵極電路的電流與電壓下降時間(t3-t2)的乘積：

Qgd=(VG-VGS(pl))/R?(t3-t2)

因此, t3-t2=QgdRG/(VG-VGS(pl))

由于在此期間漏極電壓持續(xù)下降，而漏極電流保持不變，因此MOSFET會產(chǎn)生功率損耗即開通損耗。

④、在時段t3至t4期間，柵極被充電至過飽和狀態(tài)。Cgs和Cgd都會被充電，直到柵極電壓(VGS)達(dá)到柵極電源電壓。由于導(dǎo)通瞬態(tài)已經(jīng)消失，因此MOSFET在此期間沒有開關(guān)損耗，但是有導(dǎo)通損耗。

1.3、柵極驅(qū)動功率

MOSFET柵極驅(qū)動電路消耗的功率與其工作頻率成比例增加。這部分主要介紹柵極驅(qū)動電路的功耗，如圖1.8所示。

在圖1.8中，柵極脈沖電壓VG通過柵極電阻R1施加在MOSFET的柵極和源極之間。假設(shè)VGS從0V升至VG(圖1.9中的10 V)。VG足以讓MOSFET導(dǎo)通。MOSFET初始狀態(tài)是關(guān)斷的，當(dāng)VGS從0V變?yōu)閂G時導(dǎo)通。在該瞬態(tài)開關(guān)周期期間流動的柵極電流計算為：

iG=(VG-VGS)/RG

因此，柵源電壓計算為VGS=VG-RG×IG。

柵極電荷Qg可以通過隨時間變化的柵極電流ig的積分來計算。

Qg=∫ dt

導(dǎo)通期間，柵驅(qū)動提供的能量E為：

E=∫ × dt

其中，Vg為驅(qū)動電源電壓。由于vg和ig隨時間的積分是Qgp，

E=VG×Qgp

Qg和ig有如下關(guān)系:iG=dQg/dt。因此，一個MOSFET在其導(dǎo)通期間EG中柵極積累的能量計算如下：

柵極電荷是vGS 在整個Qg(從0到Qgp)范圍內(nèi)的積分,如圖1.10所示。

驅(qū)動電源提供的能量減去柵極中積累的能量就是被柵極電阻器消耗能量。

在關(guān)斷期間，柵極中積累的能量會被柵極電阻消耗掉。

每個開關(guān)周期消耗的能量E等于驅(qū)動電路提供的能量。可以通過E乘以開關(guān)頻率fsw來計算柵極驅(qū)動電路PG的平均功耗：

柵極驅(qū)動電路PG的平均功耗也可用輸入電容表示為PG=E×fsw=Ciss×(VG)2×fsw。然而，以這種方式計算的PG值與實際功率損耗有很大差異。這是因為Ciss包括具有米勒電容的柵極-漏極電容Cgd，并且是VDS的函數(shù)，還因為柵極-源極電容Cgs是VGS的函數(shù)。

2、MOSFET柵極驅(qū)動電路示例

MOSFET驅(qū)動電路的基本要求包括向柵極施加高于VTH電壓的能力和對輸入電容充分充電的驅(qū)動能力。本節(jié)描述一個N溝道MOSFET驅(qū)動電路的示例。

2.1、基本驅(qū)動電路

圖2.1顯示了一個基本的MOSFET驅(qū)動電路。在實際設(shè)計驅(qū)動電路時，必須考慮被驅(qū)動MOSFET的電容及其使用條件。

2.2、邏輯驅(qū)動

由于把MOSFET作為開關(guān)應(yīng)用(負(fù)載開關(guān))的需求日益增長，MOSFET僅在電路工作時在電路中提供導(dǎo)電路徑，這樣可以降低電子設(shè)備的功耗。目前，在許多應(yīng)用中，MOSFET直接由一個邏輯電路或一個微控制器驅(qū)動。

2.3、驅(qū)動電壓轉(zhuǎn)換

(1)、將驅(qū)動電壓轉(zhuǎn)換為15V

圖2.3顯示了用數(shù)字邏輯驅(qū)動MOSFET的示例。當(dāng)MOSFET不能在5V下驅(qū)動時，該電路來提高驅(qū)動電壓。R2與柵極電阻R3串聯(lián)增加?xùn)艠O驅(qū)動電阻，使MOSFET難以在飽和模式下驅(qū)動。這降低了MOSFET的開關(guān)速度，因此增加了開關(guān)損耗。相反，減小R2導(dǎo)致在MOSFET關(guān)斷期間有較大的漏極電流ID流向驅(qū)動電路，增加驅(qū)動電路的功耗。

備注：MOSFET導(dǎo)通的驅(qū)動電壓最好要大于12V，但最好不要超過±20V

(2)、推挽電路

圖2.3所示電路的缺點是，提升驅(qū)動電壓會增加驅(qū)動電路的功耗。這個問題可以通過增加一個推挽電路來解決，如圖2.4所示。

當(dāng)驅(qū)動MOSFET的電流不足時，也使用推挽電路。

2.4、半橋或全橋的高端驅(qū)動

圖2.5展示了如何在半橋或全橋配置中使用MOSFET。為了接通上管Q1，必須向其柵極施加較高電壓。

由于Q1的源極電壓隨著下管Q2的導(dǎo)通和關(guān)斷而變化，所以不能讓Q1和Q2的驅(qū)動電源共用一個地。

2.4.1、使用高壓器件和自舉電路(例如高壓IC)

圖2.5所示為一個使用高壓器件和自舉電路驅(qū)動高邊器件的電路示例。開關(guān)頻率是有限的，這取決于輸出電容和電平轉(zhuǎn)換器的損耗。

2.4.2、脈沖變壓器驅(qū)動(絕緣開關(guān))

脈沖變壓器的使用無需單獨的驅(qū)動電源。然而，它在驅(qū)動電路的功耗方面具有缺點。脈沖變壓器有時用于將MOSFET與其驅(qū)動器隔離，以保護(hù)驅(qū)動電路免受MOSFET故障的影響。

圖2.6顯示了一個簡單電路的例子。本電路中齊納二極管的作用是快速復(fù)位脈沖變壓器。圖2.7所示的電路有一個額外的PNP晶體管，以提高開關(guān)性能。

圖2.8所示電路有一個電容與一個脈沖變壓器串聯(lián)，以便在MOSFET關(guān)斷期間向MOSFET施加反向偏置，從而提高開關(guān)速度。由于電容阻斷了DC偏置，因此其還防止脈沖變壓器達(dá)到飽和點。

2.4.3、使用光耦和浮動電源

光耦也可用于驅(qū)動MOSFET柵極。光耦輸出需要單獨的電源。若要使用光耦驅(qū)動半橋或全橋的高邊，則需要一個浮動電源。應(yīng)該注意光耦的速度和驅(qū)動能力。

3、MOSFET驅(qū)動電路的電源

3.1.變壓器隔離電源

當(dāng)使用MOSFET驅(qū)動由上下橋臂構(gòu)成的H橋、三相逆變器或類似的電路時，上橋臂和下橋臂的電源必須彼此隔離。

圖3.1顯示了使用變壓器的電源示例。

驅(qū)動MOSFET的下臂的電源可以共用。因此，H橋需要三個電源，而三相橋需要四個電源。

3.2.自舉電路

由二極管和電容器組成的自舉電路可以用來代替浮地電源。當(dāng)MOSFET由逆變器或類似電路的上臂和下臂驅(qū)動時，可以在每個相中使用自舉電容C，如圖3.2所示，而不是浮置電源。最初，必須接通下臂中的器件以通過虛線的路徑從下臂的電源對電容C充電。下臂MOSFET每次導(dǎo)通時，電容C通過該路徑充電。由于上臂器件的占空比與電容C上存儲的電荷量有一定的關(guān)系，因此上臂的占空比存在限制。與輸出電壓的情況一樣，上臂的柵極電壓波動使其對噪聲敏感。因此，在設(shè)計上臂門電路時應(yīng)謹(jǐn)慎。