高速开关应用的MOSFET和IGBT栅极驱动器电路的基本原理和资料说明

　　本应用报告旨在展示一种为高速开关应用设计的高性能栅极驱动电路 应用非常重要。这是一个内容详实的主题集，可为您提供解决最常见设计难题的“一站式服务”。因此，它可为具有不同经验的电子产品工程师提供强大帮助。本报告对目前较为流行的电路解决方案及其性能进行了分析，包括寄生器件的影响、瞬态和极端工作条件。本文从 MOSFET 技术和开关运行概述入手，按照由易而难的顺序，对各类问题进行了阐述。详细介绍了接地参考和高侧栅极驱动电路的设计流程，以及交流耦合和变压器隔离解决方案。

　　MOSFET – 是金属氧化物半导体场效应晶体管的首字母缩写词，它是电子行业高频高效开关领域的 关键 组件。让人称奇的是，FET 技术发明于 1930 年，比双极晶体管要早大约 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。

　　双极晶体管和 MOSFET 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，这就意味着它们的输出电流与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，都必须由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 必须以类似于双极晶体管的形式进行“硬”驱动，以实现可媲美的开关速度。从理论上来说，双极晶体管和 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，具体取决于器件大小。

　　MOSFET 技术在数字和功率应用领域的普及 得益于 它与双极结晶体管相比所具有的两个主要优势。其中一个优势是，MOSFET 器件在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，因为其控制电极与导电器件隔离，所以不需要连续的导通电流。一旦 MOSFET 晶体管开通，它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相应大幅减少。这基本上消除了导通压降和关断时间之间的设计权衡问题，而开通状态压降与控制电荷成反比。因此，与双极器件相比，MOSFET 技术预示着使用更简单且更高效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 RDS（on） 来表征，也称为导通电阻。导通电阻对指定栅源极电压和器件温度来说是恒定的。与 p-n 结 -2.2mV/°C 的温度系数不同，MOSFET 的温度系数为正值，约为 0.7%/°C 至 1%/°C。正因为 MOSFET 具有此正温度系数，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 MOSFET 会均匀地分配电流。在多个 MOSFET 上会自动实现电流共享，因为正 TC 的作用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热量 - 请别忘了漏源电压是相等的 – 并且温度升高会增加其 RDS（on） 值。增加电阻会导致电流减小，从而降低温度。最终，当并联器件所承载的电流大小相近时，便达到平衡状态。RDS（on） 值和不同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。