高速MOSFET门极驱动电路的设计应用的指南

浅析MOSFET 高速驱动器电路设计赵云（船舶重工集团公司723所，扬州225 l ）摘要通过对M O SFET 转换过程的分析，得出高速转换过程对驱动电路的要求。

通过对转换过程中功率损耗的计算和驱动电流计算的注意事项，得出了在设计高速驱动M O SFET 电路过程中的要点。

这对用开关电源设计M O SFET 的高速驱动电路有参考价值。

关键词M O SFET驱动电路功率损耗引言开关电源的发展趋势是工作频率越来越高。

国外发达国家的实用频率已接近或超过l MH Z ，我国目前实用频率为5 !l k H Z 。

要提高工作频率，驱动电路的设计选型尤为重要，因此在MH Z 范围工作的高速MO SFET 的过渡过程就成为整个开关过程的重要部分。

过渡过程太慢不仅影响工作频率的提高，而且对开关电源的效率、寿命等产生严重影响。

本文就工程研制中高速驱动电路的设计考虑加以分析。

l高速转换过程分析MO SFET l 个周期的高速转换过程有2个：一为导通转换过程，二为关断转换过程。

（l ）导通转换过程的漏源电压与漏极电流，栅源电压与电荷关系分别如图l 所示。

（a ）m !m l 区间：栅极电压从 上升到门限电压V g s ，称作延迟时间。

在这一区间MO SFET 上的电压、电流都不变化。

（b ）m l !m 2区间：栅极电压达到V g s 的m l 时刻开始，漏极电流开始增长，至m 2时刻I d 达到最大值。

在这一过程中，栅源电压也在上升，而漏源电压将保持截止时的高水平不变。

在这一过程中，由于电压与电流重叠，MO SFET 功耗最大。

图l截止导通转换过程波形（c ）m 2!m 3区间：从m 2时刻开始，MO SFET 漏源电压开始下降，引起从漏极到栅极的密勒电容效应，使得栅极电压不能上升而出现平台，在m 3时刻源漏电压下降到最小值。

（d ）m 3!m 4区间：在这一区间栅极电压从平台上升到最后的驱动电压。

上升的栅压使漏源电阻R ds （On ）减小，m 4以后MOSFET 进入导通状态。

MOSFET高速驱动设计英飞凌MOSFET驱动MOSFET并联摘要：本文阐述了MOSFET驱动的基本要求以及在各种应用中如何优化驱动电路的设计关键词： MOSFET 驱动， MOSFET 并联1．引言随着电源高效，高功率密度的要求，电源的频率由原来的工频，到几十千赫兹，再到如今几百千赫兹甚至兆赫兹。

电源频率的要求越来越高。

如何选择合适的MOSFET, 如何有效的驱动高速的MOSFET，提升电源效率是广大工程师面临的问题。

本文将探讨MOSFET的选型以及高速驱动线路的设计的注意事项。

2．MOSFET结构以及影响驱动的相关参数图1图1是MOSFET的电容等效图。

MOSFET包含3个等效结电容Cgd, Cgs和 Cds.通常在MOSFET的规格书中我们可以看到以下参数其中Ciss=Cgs+CgdCoss=Cgd+CdsCrss=Cgd这些结电容影响着MOSFET开通和关闭速度。

结电容小的MOSFET具有快速的开关速度，可以降低MOSFET开通和关闭时所产生的损耗。

同时对驱动线路需求更低。

但是值得注意的是这些电容跟普通的电容并不完全相同，普通电容的容值并不会有太大的改变，而MOSFET等效电容容值会随着MOSFET Vds的变化而变化。

图2描述了MOSFET 结电容随电压的变化状况。

图2由于Q=C*U*t为了方便计算MOSFET所需的驱动功率以及开关损耗，规格书中通常会给出MOSFET 的Q值。

图3中描述了MOSFET开通的过程以及不同的Qg值对MOSFET开通过程中的影响。

Qgs 是Cgs的电荷量，Qgd是Cgd的电荷量，而整个开通过程中电荷量的总和我们称之为Qg.图3 2.1 MOSFET导通时序介绍t1阶段此阶段处于MOSFET死区时间。

MOSFET电压电流并无变化t2阶段t2阶段MOSFET Vgs电压达到阀值并继续上升。

此时MOSFET开始导通，电流从MOSFET 漏极流向源极并在t2结束时到达最大值，而Vds此时保持不变。

摘要：率场效应晶体管由于具有诸多优点而得到广泛的应用;但它承受短时过载的能力较弱，使其应用受到一定的限制。

分析了二极管器件驱动与保护电路的设计要求;计算了MOSFET驱动器的功耗及MOSFET驱动器与MOSFET的匹配;设计了基于IR2130驱动模块的MOSFET驱动保护电路。

该电路具有结构简单，实用性强，响应速度快等特点。

在驱动无刷直流电机的应用中证明，该电路驱动能力及保护功能效果良好。

功率场效应晶体管(Power MOSFET)是一种多数载流子导电的单极型电压控制器件，具有开关速度快、高频性能好、输入阻抗高、噪声小、驱动功率小、动态范围大、无二次击穿现象和安全工作区域(SOA)宽等优点，因此，在高性能的开关电源、斩波电源及电机控制的各种交流变频电源中获得越来越多的应用。

但相比于绝缘栅双极型晶体管IGBT或大功率双极型晶体管GTR等，MOSFET管具有较弱的承受短时过载能力，因而其实际使用受到一定的限制。

如何设计出可靠和合理的驱动与保护电路，对于充分发挥MOSFET 功率管的优点，起着至关重要的作用，也是有效利用MOSFET管的前提和关键。

文中用IR2130驱动模块为核心，设计了功率MOSFET驱动保护电路应用与无刷直流电机控制系统中，同时也阐述了本电路各个部分的设计要求。

该设计使系统功率驱动部分的可靠性大大的提高。

1 功率MOSFET保护电路设计功率场效应管自身拥有众多优点，但是MOSFET管具有较脆弱的承受短时过载能力，特别是在高频的应用场合，所以在应用功率MOSFET对必须为其设计合理的保护电路来提高器件的可靠性。

功率MOSFET保护电路主要有以下几个方面：1)防止栅极 di/dt过高：由于采用驱动芯片，其输出阻抗较低，直接驱动功率管会引起驱动的功率管快速的开通和关断，有可能造成功率管漏源极间的电压震荡，或者有可能造成功率管遭受过高的di/dt 而引起误导通。

为避免上述现象的发生，通常在MOS驱动器的输出与MOS管的栅极之间串联一个电阻，电阻的大小一般选取几十欧姆。

高速MOSFET门极驱动电路的设计应用指南author Laszlo Baloghtranslator Justin Hu摘要本文主要演示了一种系统化的方法来设计高速开关装置的高性能门极驱动电路。

文章收集了大量one-stop-shopping 主题的信息来解决最普通的设计挑战。

因此它应当对各种水平的电力电子工程师都适用。

最常用的电路方案和它们的性能都经过了分析，包括寄生参数、瞬时和极端运行条件的影响。

文章首先回顾了MOSFET技术和开关运行模式，然后由简入繁地讨论问题。

详细的描述了参考地和高端门极驱动电路的设计程序、交流耦合和变压器隔离方案。

专门的一章用来介绍同步整流装置中MOSFET的门极驱动要求。

文章另举出了几个设计的实例，一步一步进行了说明。

Ⅰ.引言MOSTET是金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)的缩写，是电子工业中高频、高效率开关装置的关键器件。

令人惊叹的是，场效应晶体管技术发明于1930年，比双极性晶体管早了大约20年。

第一个信号级别的场效应晶体管20世纪50年代末期被制造出来，功率级别的MOSFET在20世纪70年代中期出现。

而今天无数的MOSFET被集成到现代电子器件中，无论是微处理器还是分立的功率晶体管。

本文所关注的是功率MOSFET在各种各样的开关模式功率变换器装置中门极驱动的要求。

Ⅱ.MOSFET技术双极型和MOSFET晶体管都使用了同样的工作原理。

从根本上讲，这两种晶体管都是电荷控制的器件，这就意味着它们的输出电流和控制电极在半导体中建立的电荷成比例。

当这些器件用作开关时，它们都必须被一个低阻抗的电源驱动，电源要能提供足够的充放电电流来使它们快速建立或释放控制电荷。

从这一点来看，MOSFET在开关过程中必须和双极性晶体管一样通过“硬”驱动才能获得类似的开关速度。

理论上，双极型和MOSFET器件的开关速度几乎一样，由载流子运动经过半导体区域所需要的时间决定。

高速MOS驱动电路设计和应用指南摘要本篇论文的主要目的是来论证一种为高速开关应用而设计高性能栅极驱动电路的系统研究方法。

它是对“一站买齐”主题信息的收集，用来解决设计中最常见的挑战。

因此，各级的电力电子工程师对它都应该感兴趣。

对最流行电路解决方案和他们的性能进行了分析，这包括寄生部分的影响、瞬态的和极限的工作情况。

整篇文章开始于对MOSFET技术和开关工作的概述，随后进行简单的讨论然后再到复杂问题的分析。

仔细描述了设计过程中关于接地和高边栅极驱动电路、AC耦合和变压器隔离的解决方案。

其中一个章节专门来解决同步整流器应用中栅极驱动对MOSFET的要求。

另外，文章中还有一些一步一步的参数分析设计实例。

简介MOSFET是Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor的首字母缩写，它在电子工业高频、高效率开关应用中是一种重要的元件。

或许人们会感到不可思议，但是FET是在1930年，大约比双极晶体管早20年被发明出来。

第一个信号电平FET晶体管制成于二十世纪60年代末期，而功率MOSFET是在二十世纪80年代开始被运用的。

如今,成千上万的MOSFET晶体管集成在现代电子元件,从微型的到“离散”功率晶体管。

本课题的研究重点是在各种开关模型功率转换应用中栅极驱动对功率MOSFET 的要求。

场效应晶体管技术双极晶体管和场效应晶体管有着相同的工作原理。

从根本上说,，两种类型晶体管均是电荷控制元件，即它们的输出电流和控制极半导体内的电荷量成比例。

当这些器件被用作开关时，两者必须和低阻抗源极的拉电流和灌电流分开，用以为控制极电荷提供快速的注入和释放。

从这点看，MOS-FET在不断的开关，当速度可以和双极晶体管相比拟时，它被驱动的将十分的‘激烈’。

理论上讲，双极晶体管和MOSFET的开关速度是基本相同的，这取决与载流子穿过半导体所需的时间。

在功率器件的典型值为20 ~ 200皮秒，但这个时间和器件的尺寸大小有关。

高速MOS驱动电路设计和应用指南简介MOSFET是Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor的首字母缩写，它在电子工业高频、高效率开关应用中是一种重要的元件。

或许人们会感到不可思议，但是FET是在1930年，大约比双极晶体管早20年被发明出来。

第一个信号电平FET晶体管制成于二十世纪60年代末期，而功率MOSFET是在二十世纪80年代开始被运用的。

如今,成千上万的MOSFET晶体管集成在现代电子元件,从微型的到“离散”功率晶体管。

本课题的研究重点是在各种开关模型功率转换应用中栅极驱动对功率MOSFET 的要求。

场效应晶体管技术双极晶体管和场效应晶体管有着相同的工作原理。

从根本上说,，两种类型晶体管均是电荷控制元件，即它们的输出电流和控制极半导体内的电荷量成比例。

当这些器件被用作开关时，两者必须和低阻抗源极的拉电流和灌电流分开，用以为控制极电荷提供快速的注入和释放。

从这点看，MOS-FET在不断的开关，当速度可以和双极晶体管相比拟时，它被驱动的将十分的‘激烈’。

理论上讲，双极晶体管和MOSFET的开关速度是基本相同的，这取决与载流子穿过半导体所需的时间。

在功率器件的典型值为20 ~ 200皮秒，但这个时间和器件的尺寸大小有关。

与双极结型晶体管相比，MOSFET在数字技术应用和功率应用上的普及和发展得益于它的两个优点。

优点之一就是在高频率开关应用中MOSFET使用比较方便。

MOSFET更加容易被驱动，这是因为它的控制极和电流传导区是隔离开的，因此不需要一个持续的电流来控制。

一旦MOSFET导通后，它的驱动电流几乎为0。

另外，在MOSFET中，控制电荷的积累和存留时间也大大的减小了。

这基本解决了设计中导通电压降（和多余的控制电荷成反比）和关断时间之间的矛盾。

因此，MOSFET技术以其更加简单的、高效的驱动电路使它比晶体管设备具有更大的经济效益。

此外，有必要突出强调下，尤其是在电源应用上，MOSFET本身具有阻抗特性。

高速MOSFET门极驱动电路的设计应用指南一、背景介绍二、设计步骤及要点1.确定MOSFET型号和工作条件：根据实际应用需求，选择合适的MOSFET型号，并确定其工作电压和电流。

这些参数将直接影响到驱动电路的设计。

2.确定驱动电源电压和电流：根据MOSFET的特性参数，选择合适的驱动电源电压和电流。

一般来说，高速应用中通常需要较高的电源电压和电流，以确保MOSFET能够迅速开关。

3.选择驱动芯片或设计驱动电路：根据以上参数，选择合适的驱动芯片或自行设计驱动电路。

常用的驱动芯片有IR2110、TC4420等，可以根据实际应用需求选择合适的芯片。

4.进行驱动电路的布局和连接：根据驱动芯片或电路设计，进行布局和连接。

注意保持短而稳定的门极连接线路，尽量减小电流环路和电磁干扰。

5.添加保护电路：考虑MOSFET的过电流、过压等保护问题，设计相应的保护电路，以确保MOSFET的安全工作。

6.进行仿真和测试：通过仿真软件进行仿真分析，验证电路设计是否满足要求。

同时，进行实际测试，检查电路的性能和稳定性。

三、高速MOSFET门极驱动电路的典型设计示例下图为一种常用的高速MOSFET门极驱动电路设计示例，以IR2110为例：[电路图]该驱动电路可实现高速的MOSFET开关控制，具有较高的转换效率和可靠性。

其中VCC为驱动电源电压，VDD为MOSFET的工作电源电压，VIN为控制信号输入端，VD为MOSFET的漏极电压，R1和R2为限流电阻，D1为反向恢复二极管。

四、设计注意事项1.选择合适的驱动芯片或自行设计驱动电路时，要充分考虑芯片的最大驱动电流和工作频率等参数，以确保其满足实际应用需求。

2.在设计驱动电路时，要注意尽量减小电流回路和电磁干扰，保持稳定的门极连接线路。

3.添加合适的保护电路，以保护MOSFET免受过电流、过压等故障的影响。

4.在设计完成后，进行仿真分析和实际测试，检查电路的性能和稳定性，并及时进行调整和改进。