MOSFET 和 IGBT 栅极驱动器电路的基本原理

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1.简介

MOSFET-是金属氧化物半导体场效应晶体管的首字母缩写词，它是电子行业高频开关领域的关键组件。让人称奇的是，Fet技术发明于1930年，比双极性晶体管要早20年。第一个信号级FET晶体管诞生于20世纪50年代末期，而功率MOSFET则诞生于70年代中期。如今，从微处理器到“分立式”功率晶体管在内的各种现代电子组件均集成了数以百万计的MOSFET晶体管。

本报告重点介绍了各种开关模式功率转换应用中功率MOSFET的栅极驱动应用非常重要。

2.MOSFET技术

MOSFET晶体管和双极j型晶体管的工作原理相同。从根本上说，这两种晶体管都是电荷控制器件，这就意味着他们的输出电流和控制电极在半导体中形成的电荷成比例。将这些器件用作开关时，都必须有能够提供足够灌入和拉出电流的低阻抗源来驱动，以实现控制电荷的快速嵌入和脱出。从这一点来看，在开关期间，MOSFET必须以类似于双极型晶体管的形式进行硬驱动，以实现可媲美的开关速度。从理疗上来说，双极型晶体管和MOSFET器件的开关速度几乎相同，这取决于电荷载流子在半导体区域中传输所需的时间。功率器件的典型值大约为20至200皮秒，这取决于具体的器件大小。

MOSFET技术在数字和功率应用领域的普及得益于它和双极型晶体管相比所具有的两个主要优势。其中一个优势是，MOSFET器件子啊高频开关应用中使用应用非常重要。MOSFET晶体管更加容易驱动，因为其控制电极和导电器件隔离，所以不需要连续的导通电流。一旦MOSFET晶体管开通，他的驱动电流几乎为零。而且，控制电荷大量减少，MOSFET晶体管的存储时间也响应大幅度的减少。这基本消除了导通压降和关断时间之间的设计权衡问题，而开通状态的管压降与控制电荷成反比。因此，与双极型器件相比，MOSFET技术预示着使用更简单和高校的驱动电路带来显著的经济效益。

此外，需要特别强调突出的是，在电源应用中，MOSFET具有电阻的性质。MOSFET漏源端上的压降是流入半导体的电流的线性函数，此线性关系用MOSFET的来表征，也称作导通电阻。导通电阻对指定栅源极电压和器件温度是恒定的。与p-n结-2.2mv/℃的温度系数不同，MOSFET的温度系数与正值，约为0.7%/℃至1%/℃。正因为MOSFET具有正温度系数，所以当使用单个器件不现实或不可能时，它便是高功率应用中并行运行的理想之选，由于通道电阻具有正TC,因此多个并联的MOSFET上会自动的实现电流共享，因为正TC的左右相当于一种缓慢的负反馈系统。载流更大的器件会产生更多的热量，请别忘记源漏电压是相等的-并且温度升高会增加其值。增加电阻又会导致电流减小，从而降低温度。最终，当并联器件所承受的电流大小相近时，便达到平衡状态。值和不同的结至环境热阻的初始容差可导致电流分布出现高达30%的重大误差。

2.1 器件类型

几乎所有的制造商对于制造出色的功率MOSFET都有自己独特的方法，不过市场上的所有器件可分为三种基本类型。如图1中所示。

双扩散MOS晶体管于20世纪70年代开始应用于电源应用领域，并在过去这些年间不断演进。使用多晶硅栅极结构和自校准流程，可提高集成密度并迅速减小电容。

第二次重大改进来自于V型坡口技术或沟道技术，从而进一步的提高了功率MOSFET器件的单元密度。提高性能和集成度并不容易；然而，沟道MOS器件的制造流程更困难。

横向功率MOSFET显著减小了电容，所以开关速度大幅提高，所需的栅极驱动功率要低的多。

2.2 MOSFET模型

文中提供了多种模型来说明MOSFET的工作原理，不过，找到合适的说明可能并不容易。大多数MOSFET制造商为其器件提供Spice和/或Saber模型，但这些模型对于设计人员在实践中遇到的应用陷阱却鲜有提及。甚至对于如何解决最常见的设计难题，他们所提供的线索也很少。

使用的MOSFET模型需要从应用角度描述器件的所有重要属性，因此非常复杂。另一方面，如果我们将模型的适用性局限于特定问题区域，可由MOSFET晶体管得出一些简单且有意义的模型。

图2中的第一款模型基于MOSFET器件的实际结构，主要可用于直流分析。图2a中的MOSFET符号表示通道电阻，而JFET对应于外延层的电阻。因此，EPI层的电阻是器件额定电压的函数，同时高电压MOSFET需要的外延层更厚。

图2b可非常有效的模拟MOSFET由dv/dt导致的击穿特性。作为栅极端阻抗函数，它主要展示了两种主要的击穿机制，也就是由dv/dt引起所有功率MOSFET中的寄生双极晶体管的开通，以及dv/dt引起沟道的开通。由于制造工艺的改进，现代功率MOSFET实际上几乎不受寄生NPN晶体管的dv/dt触发事件的影响，从而减小了基极和发射极区域的电阻。

还必须提到的是，寄生双极型晶体管还具有另一个重要的角色。他的基极-集电极结是有名的MOSFET体二极管。

图2c是MOSFET的开关模型。此模型展示了影响开关性能的最重要的寄生器件。他们各自的左右将在2.3节中专门进行讨论，专门介绍器件的开关过程。

2.3 MOSFET的关键参数

当考虑MOSFET开关模式工作时，我们的目标是尽可能在最短的时间内在器件的最低和最高电阻状态间切换。由于MOSFET的实际开关时间（大约10ns至60ns）至少要比理疗开关时间（大约为50ps至200ps）长两到三个数量级，因此了解这种差异非常重要。返回图2的MOSFET模型，可以看到所有模型都包含三个电容器，分别连接在三个器件端子间。最后，MOSFET晶体管的开关性能取决于如何使得这些电容器快速的改变。

因此，在高速开关应用中，最重要的参数是器件的寄生电容，其中和这两个电容器对应于器件的实际集合结构，而电容器就是寄生双极晶体管的基极集电极二极管（体二极管）的电容。

电容器由栅极电极所产生的源和通道区域重叠形成。它的值由这两个区域的实际几何结构确定，并在不同工作条件下保持恒定（线性）。

电容器是两种效应产生的结果。除了耗尽区域的电容之外，一部分是JFET区域和栅极电极的重叠，是非线性的。等效电容是器件源漏电压的函数，通过公式1计算近似值。

（1）

电容器也是非线性的，因为它是体二极管的结电容。它与电压的关系如公式2所示。

（2）

遗憾的是，上述电容值均未在晶体管数据表中直接定义。他们的值由、、电容值间接提供，而且必须按照公式3中所示的公式计算。

（3）

更复杂的问题由电容器在开关应用中引起，因为它位于器件输入和输出段的反馈路径中。因此，它在复杂的开关应用中的有效值可能大得多，具体取决于MOSFET的源漏电压。这种现象被称为米勒效应，如公式4中所示。

（4）

因为C_{GD}和C_{DS}电容器与电压相关，所以数据表编号只有在给定的测试条件下有效。必须根据所需电荷计算特定应用的相关平均电容，以确定各电容器上的实际电压变化。对于大多数功率MOSFET，近似值如公式5所示。

（5）

下一个要提到的重要参数是栅极网状电阻。此寄生电阻描述了器件内栅极信号分配相关的电阻。它在高速开关应用中非常重要，因为它位于器件的驱动器和输入电容器之间，直接影响MOSFET的开关时间和dv/dt抗扰性。业内已经认识到了这种影响，然而，射频MOSFET晶体管等真正的高速器件使用金属栅极电极来实现栅极信号分配，而不是电阻更高的多晶栅极网。数据表中未指定电阻，但在某些应用中，它是器件的一个非常重要的特性。附录A4显示了电阻桥的典型测量设置，用于确定内部栅极电阻值。

显然，栅极阈值电压也是一个重要的特性。务必请注意，数据表中的值是在温度为25℃且电流很低（典型值为250uA的条件下定义的）。因此，这并不等于众所周知的栅极开关波形的米勒平坦区域电压。对于，另一个很少提及的事实是，其温度系数近似的为7mV/℃。它在专为电平MOSFET设计的栅极驱动电路中尤为重要，在这种电路中，在通常测试条件下已经很低。由于MOSFET通常在较高的温度下工作，合理的栅极驱动设计必须将关断V_{TH}处于较低电压的情况下考虑在内，而dv/dt抗扰度按照数据表中照数据表中 Seminar 1400 主题 2 附录 A/F 预测 MOSFET 参数中的公式计算。

MOSFET的跨导是工作线性区域中的小信号增益。需要着重指出的是，每次开关MOSFET时，它必须通过线性操作模式，而这时的电流取决于栅源极电压V_{GS}。跨导G_{fs}相对于漏极和栅极电压是个小信号，如公式6中所示。

(6)

相应地，MOSFET在线性区域的最大电流由公式7给出。

(7)

对这个V_{GS}公式进行变换，可以得出米勒平坦区域的近似值是漏极电流的函数，如公式8所示。

(8)

源极电感（Ls）和漏极电感等其他重要参数对开关性能的限制很大。数据表中列出了典型LS

和LD值，这两个值主要取决于晶体管的封装类型。他们对性能产生的影响可结合通常与布局有关的外部寄生组件和漏电感，电流感应电阻等随附外部电路元件进行分析研究。

但出于完整性考虑，还需要指出的是外部串联栅极电阻和MOSFET驱动器输出阻抗在高性能栅极驱动设计中起决定因素，因为他们会对开关速度产生深远影响，并最终影响开关损耗。

2.4 开关应用

现在，确定了所有因素后，让我们来研究一下Mos晶体管的实际开关行为。为了更好地理解基本过程，电路的寄生电感将被忽略。稍后将单独分析它对基本操作的相应影响。此外，以下描述涉及到钳位电感式开关，因为开关模式电源中所用的大多数MOSFET晶体管和高速栅极驱动电路都工作在该模式下。

图3 中显示了最简单的钳位电感式开关模型，其中直流电流源代表电感器。在短暂的开关切换期间，它的电流可以认为是常数。二极管在MOSFET关断时提供一条电流路径，并将器件的漏极钳位到由电池表示的输出电压。

2.5 开通过程

MOSFET晶体管的开通动作可分为如图四所示的四个阶段。

第一步，器件的输入电容从0V充电至。在此期间，大部分栅极电流对于C_{GS}充电。少量电流也会流经电容器。随着栅极端子电压升高，电容器的电压将略有下降。这个期间被称为开通延时，因为器件的漏极电流和漏极电压保持不变。

栅极充电至阈值电平后，MOSFET就能载流了。在第二个阶段中，栅极电平从V_{TH}升高到米勒平坦电平。当电流与栅极电压正比时，这是器件的线性工作区。在栅极侧，就想在第一阶段中那样，电流流入和中，并且电压升高。在器件的输出端，漏极电流升高，同时漏源电压保持之前的电平。可以通过查看图3中的原理图来了解。在所有电流传输到MOSFET中并且二极管完全关断能够阻止其PN结上的反向电压之前，漏极电压必须保持输出电压水平。

进入开通第三阶段后，栅极已充电至足够电压（）,可以承载完整的负载电流且整流器二极管关断。此时，运行漏极电压下降，当器件上的漏极电压下降时，栅源极电压保持稳定。这就是栅极电压波形中的米勒平坦区域。驱动器提供的所有栅极电流都被转移，从而对电容器充电，以便在漏源极端子上实现快速的电压变化。现在，器件的漏极电流受到外部电路（这是直流电流源）的限制，因此保持恒定。

开通过程的最后一部是通过施加更高的栅极驱动电压，充分增强MOSFET的导通通道。的最终幅值决定了开通期间器件的最终导通电阻。所以，在第四阶段中，从上升至最终值。这通过对和电容冲电来实现的，因此限制栅极电流在两个组件之间分流。当这些电容器充电时，漏极电流仍然能保持恒定，而由于器件的导通电阻下降，漏极电压略有下降。

2.6 关断过程

MOSFET晶体管的关断过程说明基本上与上文所述的开通过程相反。开始时V_{GS}等于，器件中的电流是由图3中的IDC表示满负载电流。漏源电压由IDC和MOSFET的定义，出于完整性考虑，图5中显示了四个关断步骤。

第一个阶段是关断延迟，需要将电容从初始值放电至米勒平坦电平。在这段时间内，栅极电流由电容器自己提供，并流经MOSFET的和电容器。随着过驱电压降低，器件的漏极电压略有上升。漏极的电流保持不变。

在第二阶段，MOSFET的漏极电压从ID.上升至最终的电平，由整流器二极管根据图3简化原理图钳位至输出电压。在此时间段内，与栅极电压波形中的米勒平坦区域对应，栅极电流完全是电容器的充电电流，因为栅极电压是恒定的。此电流由功率级旁路电容器提供，并从漏极电流中减去。总漏极电流仍然等于负载电流，也就是图3中由直流电流源表示的电感器电流。

第三阶段开始用二极管开通表示，因此为负载电流提供了一个替代路径。栅极电压继续从下降至。绝大部分栅极电流来自于电容器，因为电容器实际在前一个阶段中就已经充满电了。在此间隔结束时，MOSFET处于线性工作状态，栅源级电压下降导致漏极电流减小并接近于零。同时，由于正向偏置整流二极管的作用，漏极电压在时保持稳定。

关断过程的最后一步是对器件的输入电容完全放电。进一步下降，直至达到0V。与第三关断阶段类似，栅极电流的更大一部分由电容器提供。器件的漏极电流和漏极电压保持不变。

概况而言，得出的结论是，在四个阶段中，MOSFET晶体管可在最高和最低阻抗状态（开通或关断）间切换。四个阶段的长度是寄生电容值、电容上所需的电压变化和可用的栅极驱动电流的函数。这就突显出正确的组件选择已经出色的栅极驱动设计对于高频开关应用非常重要。

遗憾的是，这些数字与特定测试条件的电阻负载相对应，因此难以比较不同制造商的产品。而且，在具有限定电感负载的实际应用中，开关性能与数据表中给出的数字有显著差异。

2.7 功率损耗

功率应用中MOSFET晶体管的开关操作会导致某些不可避免的损耗，具体分为两类。

在这两种损耗机制中，比较简单的一种是器件的栅极驱动损耗，如前面所述，开通或关断MOSFET需要对电容器充电或放电。当电容器上的电压发生变化时，就会转移一定数量的电荷。栅极电压在0V和实际的栅极驱动电压之间变化所需的电荷数量由典型的栅极电荷与栅源级电压曲线的对比来表征，如图6中所示。

此图表提供了最坏情况下相对准确的栅极电荷估算，它是栅极驱动电压的函数。用于产生各个曲线的参数是器件的漏源极关断状态电压。