高速MOSFET门驱动电路的设计与应用指导

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1、高速MOSFET驱动电路的设计与应用指导LaszloBalogh作徐开国译摘要：这份文档的主要用途是介绍了高速开关应用的高性能的栅极驱动电路的设计方法。这是“一站式购物店”的信息收集用于解决大多数公共设计的挑战。因此各个层次的电力电子工程师都会对它感兴趣。本文对大多数普通电路的实现方法和它们的特性都进行了分析，包括寄生元件的影响、瞬间的和极端的操作条件。这个讨论建立在关于MOSFET技术概述和开关操作的从简单到复杂的问题。极其详细地描述了参考地和高侧栅极驱动电路、交流耦合和传输隔离方案的设计过程。特别冇一章论

2、述了MOSFET在同步整流应用中的栅极驱动要求。简介MOSFET-是一个金属氧化物半导体场效应晶休管的首字母缩写，它是电子工业屮高频、高效开关应用中的关键元件。令人诧异的是FET技术发明于1930年，比双极晶体管还早20年。第一个信号级FET晶体管制造于1950年代，功率MOSFET在七十年代中才开始出现。今天，上百万的MOSFET晶体管被集成在微处理器等现代电子元件屮。这个题目的焦点是在各种开关模式电源转换应用中功率MOSFET对栅极驱动电路的要求。MOSFET技术双极和MOSFET品体管建立丁相同的操作原

3、理。这两种类型的晶体管都是控制器件，它们的输出电流可以成比例地山控制极进行控制。当这些器件用于开关时都应该山能够提供足够灌入和拉岀电流的低阻抗的源來驱动。从这一点來看，MOSFET必须由类似于硬开关的双极晶体管的开关速度来驱动。双极和MOSFET器件的开关速度是接近的，这取决于控制负载的时I'可要求。功率器件的典型值大约20到200皮秒，这依赖于器件的尺寸。相对于双极品体管来说，数字和功率应用是MOSFET技术的两个主耍优势。一个好处是MOSFET器件在高频开关应用中易于使丿IJ。由于MOSFET晶体管的控制

4、极和集电极电流是隔离的，所以骡动简单。因此它不需耍连续的开通电流。一旦MOSFET开通，它的驱动电流儿乎为零。MOSFET品体管中控制和存储所需的吋间也大大地减少。这基木上消除了设计中开状态的电压跌落和关断时间。因此，和双极型器件相比，MOSFET技术预示着用非常简单并且高效的菠动电路带来重要的经济利益。此外，尤其在电源应用中，MOSFET固有电阻是重要的。通过MOSFET漏源端的电压跌落和半导体中流过的电流呈线性关系。这个线性关系是MOSFET的RDS(ON)特性，被称为开通电阻。对给定的栅漏电压和温度来说

5、，开通电阻是常数。对PN结有一个-2.2mV/°C的温度系数，MOSFET显示大约0.7%/°C至lJl%/°C的止温度系数。这个MOSFET的正温度系数使得在单个器件无法使用的大功率应用屮可以进行并联工作。由于通道电阻的正TC,MOSFET的并联可以平均地分摊电流。因为正的TC类似于一个负反馈系统使得电流在MOSFET间自动平衡。承载大电流的器件会更热…记住漏源电压是相等的…更高的温度使得RDS(ON)的值增加。这个增加的阻抗将导致电流的减小，因此温度会降低。最终达到平衡，并联的器件承载相近的电流。初始的R

6、DS(ON)偏差和周围的热阻能够引起电流分配屮的高达30%的错误。器件类型几乎所冇的工厂在如何制造最好的功率MOSFET方而都是独一无二的，但是帀场上所有这些器件能够归类为三种基本类型。见图1:图一功率MOSFET器件类型双扩散MOS晶体管在197()年代被用于电源领域，并在数年屮不断演进。使用多晶硅门结构和自校准过程、高密度集成和快速减小电容成为可能。第二次重要的进化由V-goove和沟道技术大大地提高了功率MOSFET器件的单元密度。更好的性能和高密度不再简单，因为沟道MOS器件更难于制造了。这里提到的第

7、三个器件类型是旁路功率MOSFETo由于芯片在儿何分布上的无效利用,这个类型的器件限制了电压和电流的比例。尽管如此，它们在低压应用屮更为高效，类似于微处理器电源供应或者隔离转换中的同步整流。旁路功率MOSFET冇更低的电容，因此它们能够更快地开关切换，并且只需更少的栅极驱动功率。MOSFET模型这里有各种各样的模型用于说明MOSFET怎样工作，但是找到一个正确的代表仍然困难。大多数MOSFET工厂为他们的器件提供Spice和/或Saber模型，但是这些模型关于面对实践的应用设计说的非常少°对于解决人多数公共的

8、设计挑战,他们只能提供很少的线索。一个真正有用的能够描述器件重要属性的MOSFET模型从应用的视角看是非常复杂的。从另一方面看，如果我们对某些问题限制模型的应用范围，就可以从MOSFET晶体管得到非常简单且有意义的模型。图二中的第一个模型时基于MOSFET器件的实际结构，能够用于主要的直流分析。图二a的MOSFET符号代表通道电阻，JFET对应于金加氧化物层的电阻。Epi层确定器件的电压等级，因为高