MOSFET 和 IGBT 柵極驅動器電路的基本原理

TI 近日發布了MOSFET 和 IGBT 柵極驅動器電路的基本原理的應用報告。該報告對目前較為流行的電路解決方案及其性能進行了分析，包括寄生器件的影響、瞬態和極端工作條件。從 MOSFET 技術和開關運行概述入手，詳細介紹接地參考和高側柵極驅動電路的設計流程，以及交流耦合和變壓器隔離解決方案。該報告還包含了一個特殊部分，專門介紹在同步整流器應用中 MOSFET 的柵極驅動應用的重要性。

MOSFET 簡介

MOSFET是金屬氧化物半導體場效應電晶體的首字母縮寫詞，它是電子行業高頻高效開關領域的關鍵組件。雙極電晶體和 MOSFET 電晶體的工作原理相同。從根本上說，這兩種電晶體都是電荷控制器件，這就意味著它們的輸出電流與控制電極在半導體中形成的電荷成比例。將這些器件用作開關時，都必須由能夠提供足夠灌入和拉出電流的低阻抗源來驅動，以實現控制電荷的快速嵌入和脫出。從這一點來看，在開關期間，MOSFET 必須以類似於雙極電晶體的形式進行「硬」驅動，以實現可媲美的開關速度。從理論上來說，雙極電晶體和 MOSFET 器件的開關速度幾乎相同，這取決於電荷載流子在半導體區域中傳輸所需的時間。功率器件的典型值大約為 20 至 200 皮秒，具體取決於器件大小。

MOSFET 技術在數字和功率應用領域的普及得益於它與雙極結電晶體相比所具有的兩個主要優勢：

1.MOSFET 器件在高頻開關應用中使用應用非常重要。

MOSFET 電晶體更加容易驅動，因為其控制電極與導電器件隔離，所以不需要連續的導通電流。一旦MOSFET 電晶體開通，它的驅動電流幾乎為零。而且，控制電荷大量減少，MOSFET 電晶體的存儲時間也相應大幅減少。這基本上消除了導通壓降和關斷時間之間的設計權衡問題，而開通狀態壓降與控制電荷成反比。因此，與雙極器件相比，MOSFET 技術預示著使用更簡單且更高效的驅動電路帶來顯著的經濟效益。

2.在電源應用中，MOSFET 具有電阻的性質。

MOSFET 漏源端上的壓降是流入半導體的電流的線性函數。此線性關係用 MOSFET 的R_DS(on)來表征，也稱為導通電阻。導通電阻對指定柵源極電壓和器件溫度來說是恆定的。與 p-n 結 -2.2mV/°C 的溫度係數不同，MOSFET 的溫度係數為正值，約為 0.7%/°C 至 1%/°C。正因為 MOSFET 具有此正溫度係數，所以當使用單個器件不現實或不可能時，它便是高功率應用中並行運行的理想之選。由於通道電阻具有正 TC，因此多個並聯 MOSFET會均勻地分配電流。在多個MOSFET 上會自動實現電流共享，因為正TC的作用相當於一種緩慢的負反饋系統。載流更大的器件會產生更多熱量——請別忘了漏源電壓是相等的——並且溫度升高會增加其 R_DS(on)值。增加電阻會導致電流減小，從而降低溫度。最終，當並聯器件所承載的電流大小相近時，便達到平衡狀態。R_DS(on)值和不同結至環境熱阻的初始容差可導致電流分布出現高達 30% 的重大誤差。

設計過程

為高速開關應用設計高性能柵極驅動電路的系統性應用非常重要。可通過以下分步核對表總結此過程：

在完成功率級設計並選擇電源組件後，開始柵極驅動設計過程。
採集所有相關的工作參數。具體來說，包括基於應用要求的功率MOSFET的電壓和電流應力、工作結溫度以及與功率MOSFET周圍外部電路相關的dv/dt和di/dt極限，這些參數通常由功率級的不同阻尼器或諧振電路決定。
估算用於描述實際應用電路中功率半導體的寄生分量值的所有器件參數。數據表中列出的值通常是在不現實的室溫測試條件下產生中，必須相應地進行修正。這些參數包括器件電容、總柵極電荷、R_DS(on)、閾值電壓、米勒平坦區域電壓、內部柵極網狀電阻等。
應優先考慮以下要求：性能、印刷電路板大小、目標成本等。然後選擇符合功率級拓撲的合適柵極驅動電流。
確定將用於為柵極驅動電路供電的偏置電壓電平，並檢查電壓是否足以將MOSFET的R_DS(on)降至最低。
根據目標上電dv/dt和所需的開通和關斷開關速度，選擇驅動器IC、柵源極電阻值和串聯柵極電阻RGATE。
根據需要設計（或選擇）柵極驅動變壓器。
如果是交流耦合，計算耦合電容值。
檢查啟動和瞬態運行條件，尤其是在交流耦合柵極驅動電路中。
估算驅動器的dv/dt和di/dt能力，並將其與功率級確定的值進行比較。
根據需要增加一種關斷電路，並計算可滿足dv/dt和di/dt要求的分量值。
檢查驅動器電路中所有元件的功率損耗。
計算旁路電容值。
優化印刷電路板布局，最大程度地減小寄生電感。
隨時檢查最終印刷電路板的柵極驅動波形，查看在柵源極端子和驅動器IC輸出端有無過度振鈴。
增加保護或根據需要更換柵極驅動電阻器以調整諧振電路。

在可靠的設計中，應針對最差情況對這些步驟進行評估，因為溫升、瞬態電壓和電流應力可以給驅動器的運行帶來重大變化，最終影響功率 MOSFET 的開關性能。