高速MOS驱动电路设计和应用指南.doc_高速栅极驱动电路资源-CSDN文库

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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。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。MOSFET 漏源端的电压降和流经半导体的电流成线性关系。这种线性关

系,以 MOSFET 的 RDS(on)表现出来，即导通阻抗。对于一个给定的栅源电压和

温度的器件，其导通阻抗是恒定的。和 p-n 结-2.2mV/℃ 的温度系数相反，

MOSFET 有一个正的温度系数，约为 0.7% /℃ 到 1%/℃。MOSFET 的这一正温

度系数使得它成为在大功率电源应用的并联工作（由于使用一个器件是不实际

或不可能的）上的理想选择。由于 MOSFET 较好的温度系数，并联的管子通常

是均分电流。电流的均分是自动实现的，这是因为它的温度系数作为一个缓慢

的负反馈系统。当电流较大时设备温度将会升高，但是不要忘记源漏极间的电

压是不变的，温度升高将会使源漏极间电阻变大，增大的电阻又会使电流减小，

因此管子的温度又会下降。最后，会达到一个动态平衡，并联的管子都通过相

同的电流。在电流分配中，源漏极导通电阻的初始值和有不同温度特性的结电

阻在均分电流时将会引起较大的误差，最高可达 30%。

器件类型

几乎所有的 MOSFET 制造厂商都有制造最佳管子的独特制造技术，但所有

这些在市场上的管子都可分为基本的三类，如图 1 所示。

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