MOSFET栅极应用电路

MOSFET栅极

在看(kan)MOSFET栅极(ji)应用(yong)电路前，我们(men)了解一下MOSFET栅极(ji)根据三极(ji)管(guan)的原理开(kai)发出的新一代放大元件，有3个极(ji)性，栅极(ji)，漏极(ji)，源极(ji)，它的特点是(shi)栅极(ji)的内阻极(ji)高(gao)，采用(yong)二氧(yang)化硅材料的可(ke)以(yi)达(da)到几百兆(zhao)欧(ou)，属于电压控(kong)制型器件。场效应晶体(ti)管(guan)（FieldEffectTransistor缩写(FET)）简称场效应管(guan)。由(you)多数(shu)载流子参与导电，也称为单极(ji)型晶体(ti)管(guan)。它属于电压控(kong)制型半导体(ti)器件。

MOSFET栅极电压对电流的影响

FET通过影响导电(dian)(dian)沟(gou)道的(de)(de)尺寸和(he)形状，控制从源到(dao)漏(lou)的(de)(de)电(dian)(dian)子流（或者空穴流）。沟(gou)道是(shi)(shi)由（是(shi)(shi)否(fou)）加在(zai)栅(zha)极和(he)源极的(de)(de)电(dian)(dian)压而(er)创造和(he)影响的(de)(de)（为了讨论的(de)(de)简便，这默认体和(he)源极是(shi)(shi)相连的(de)(de)）。导电(dian)(dian)沟(gou)道是(shi)(shi)从源极到(dao)漏(lou)极的(de)(de)电(dian)(dian)子流。

耗(hao)尽模式

在一(yi)(yi)个n沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)"耗尽(jin)模(mo)式"器件(jian)，一(yi)(yi)个负(fu)的栅(zha)源电压将造(zao)成(cheng)一(yi)(yi)个耗尽(jin)区去拓展(zhan)宽度，自边(bian)界侵(qin)占沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)，使(shi)沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)变窄。如(ru)果耗尽(jin)区扩展(zhan)至完全关闭(bi)沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)，源极和漏极之间沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)的电阻将会(hui)变得很大(da)，FET就会(hui)像开关一(yi)(yi)样有效的关闭(bi)（如(ru)右(you)图(tu)所示，当栅(zha)极电压很低时，导电沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)几乎(hu)不存在）。类似的，一(yi)(yi)个正的栅(zha)源电压将增大(da)沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)尺寸(cun)，而使(shi)电子更易流过(guo)（如(ru)右(you)图(tu)所示，当栅(zha)极电压足够高时，沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)导通）。

增强模式(shi)

相反的(de)，在一(yi)个(ge)(ge)n沟道(dao)"增强模式"器件中，一(yi)个(ge)(ge)正的(de)栅(zha)(zha)源电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)是制(zhi)造导电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)沟道(dao)所(suo)必(bi)需的(de)，因为它(ta)不可能在晶体(ti)管中自(zi)然的(de)存在。正电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)吸引了(le)体(ti)中的(de)自(zi)由移动的(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)向栅(zha)(zha)极(ji)运动，形成(cheng)了(le)导电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)沟道(dao)。但是首先，充足的(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)需要(yao)被(bei)(bei)吸引到栅(zha)(zha)极(ji)的(de)附近(jin)区(qu)域(yu)去对抗(kang)加在FET中的(de)掺(chan)杂离子(zi)(zi)；这形成(cheng)了(le)一(yi)个(ge)(ge)没有运动载流子(zi)(zi)的(de)被(bei)(bei)称(cheng)(cheng)为耗尽(jin)区(qu)的(de)区(qu)域(yu)，这种(zhong)现象被(bei)(bei)称(cheng)(cheng)为FET的(de)阈值电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)。更高的(de)栅(zha)(zha)源电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)将(jiang)会(hui)(hui)吸引更多(duo)的(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)通过栅(zha)(zha)极(ji)，则会(hui)(hui)制(zhi)造一(yi)个(ge)(ge)从源极(ji)到漏极(ji)的(de)导电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)沟道(dao)；这个(ge)(ge)过程叫(jiao)做(zuo)"反型"。

MOSFET栅极应用电路的作用

1:去(qu)除(chu)电路耦(ou)合(he)进去(qu)的噪音，提(ti)高系统的可(ke)靠性。

2：加速MOSFET的导(dao)(dao)通(tong)，降(jiang)低导(dao)(dao)通(tong)损耗。

3：加速(su)MOSFET的关(guan)断，降低关(guan)断损(sun)耗。

4：降低MOSFET DI/DT，保护MOSFET同时抑制EMI干(gan)扰(rao)。

5：保护栅(zha)极，防止(zhi)异常高压条件下栅(zha)极击穿。

6：增加驱动(dong)能力，在较小的信号下，可以驱动(dong)MOSFET。

首先(xian)说(shuo)一下电源IC直(zhi)接(jie)驱(qu)(qu)动(dong)，下图是我(wo)(wo)们最常用的(de)(de)(de)直(zhi)接(jie)驱(qu)(qu)动(dong)方(fang)(fang)式，在这(zhei)类方(fang)(fang)式中，我(wo)(wo)们由(you)于驱(qu)(qu)动(dong)电路(lu)未做过(guo)多处理(li)，因此(ci)我(wo)(wo)们进(jin)行PCB  LAYOUT时要尽量(liang)(liang)进(jin)行优化。如(ru)缩短IC至MOSFET的(de)(de)(de)栅极走线(xian)(xian)长度(du)(du)，增加(jia)走线(xian)(xian)宽(kuan)度(du)(du)，尽量(liang)(liang)将Rg放置在离MOSFET栅极较进(jin)的(de)(de)(de)位置，从而达(da)到减少寄生电感，消除噪音的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de).

（一）直接驱动

首先说(shuo)一下电(dian)源IC直接(jie)驱动(dong)，下图(tu)是我们最常(chang)用(yong)的直接(jie)驱动(dong)方(fang)式，在这类方(fang)式中(zhong)，我们由于驱动(dong)电(dian)路未做过多(duo)处理，因此我们进(jin)行PCB  LAYOUT时要尽(jin)量(liang)进(jin)行优化(hua)。如缩(suo)短(duan)IC至MOSFET的栅极走线(xian)长度，增加走线(xian)宽度，尽(jin)量(liang)将Rg放置在离MOSFET栅极较进(jin)的位置，从而达到(dao)减少(shao)寄生电(dian)感，消除噪音(yin)的目的。

当然另一个(ge)问题我们得考虑(lv)，那就是PWM  CONTROLLER的驱(qu)(qu)动能(neng)力，当MOSFET较(jiao)大时(shi)，IC驱(qu)(qu)动能(neng)力较(jiao)小(xiao)时(shi)，会出现驱(qu)(qu)动过(guo)慢，开关损耗过(guo)大甚至不能(neng)驱(qu)(qu)动的问题，这(zhei)点(dian)我们在设(she)计时(shi)需(xu)要(yao)注(zhu)意。

（二）IC内部驱动能力不足时

当然，对于IC内部驱动能力不(bu)足(zu)的(de)问(wen)题我们也可以采用下面的(de)方法(fa)来(lai)解决。

这种增加(jia)驱动能力的(de)方式不仅增加(jia)了导通时(shi)(shi)间，还可以加(jia)速关(guan)断时(shi)(shi)间，同(tong)时(shi)(shi)对控制(zhi)毛刺及功率损耗(hao)由(you)一定的(de)效果(guo)。当(dang)然这个我们在LAYOUT时(shi)(shi)要尽量将这两个管子放的(de)离MOSFET栅极较(jiao)近的(de)位置(zhi)。这样做的(de)好处还有减少了寄生(sheng)电感(gan)，提(ti)高(gao)了电路的(de)抗干扰性。

（三）增加MOSFET的关断速度

如果我们单单要增加MOSFET的关断速度，那么我们可以采用下面的方式来进(jin)行。

关断电(dian)流(liu)比较大时(shi)，能使MOSFET输入(ru)电(dian)容(rong)放电(dian)速(su)度更(geng)快(kuai)，从(cong)而(er)降(jiang)低(di)关断损耗(hao)。大的放电(dian)电(dian)流(liu)可以(yi)通过选择(ze)低(di)输出阻(zu)抗的MOSFET或N沟道(dao)的负的截止的电(dian)压器件(jian)来(lai)实(shi)现，最常用的就是加加速(su)二极管(guan)。

栅极关断(duan)时(shi)，电流在电阻(zu)上(shang)产生的(de)压(ya)(ya)降大于二极管(guan)导(dao)通压(ya)(ya)降时(shi)，这时(shi)二极管(guan)会(hui)导(dao)通，从(cong)而(er)将电阻(zu)进行旁路(lu)，导(dao)通后，随着电流的(de)减小，二极管(guan)在电路(lu)中的(de)作用越(yue)来(lai)越(yue)小，该电路(lu)作用会(hui)显著(zhu)的(de)减小MOSFET关断(duan)的(de)延迟时(shi)间。

当然这个(ge)电路有一定的缺点(dian)，那就是(shi)栅极的电流仍然需要留(liu)过IC内部的输出(chu)驱(qu)动阻抗，这有什么办法解决呢？下面来讲讲PNP加速(su)关(guan)断驱(qu)动电路。

（四）PNP加速关断驱动电路

PNP加(jia)速关断电路

PNP加(jia)(jia)速关断电(dian)路(lu)(lu)是目前应用最(zui)多的(de)(de)(de)电(dian)路(lu)(lu)，在加(jia)(jia)速三(san)级(ji)管(guan)的(de)(de)(de)作用下可以(yi)实(shi)现瞬间(jian)(jian)的(de)(de)(de)栅源短路(lu)(lu)，从(cong)而达(da)(da)(da)到最(zui)短的(de)(de)(de)放电(dian)时间(jian)(jian)，之(zhi)所以(yi)加(jia)(jia)二极(ji)管(guan)一方(fang)面是保护(hu)三(san)级(ji)管(guan)基(ji)极(ji)，另一方(fang)面是为导通电(dian)流提供回路(lu)(lu)及偏置，该电(dian)路(lu)(lu)的(de)(de)(de)优点(dian)为可以(yi)近似(si)达(da)(da)(da)到推拉的(de)(de)(de)效果加(jia)(jia)速效果明显(xian)，缺点(dian)为栅极(ji)由于经过两个PN节(jie)，不能是栅极(ji)真正的(de)(de)(de)达(da)(da)(da)到0伏(fu)。

（五）当源极输出为高电压时的驱动

当(dang)源(yuan)极(ji)输出为高(gao)电(dian)(dian)(dian)压的(de)情(qing)况(kuang)时，我们需(xu)要采用偏(pian)置电(dian)(dian)(dian)路达到电(dian)(dian)(dian)路工作的(de)目的(de)，既我们以源(yuan)极(ji)为参考点(dian)，搭建偏(pian)置电(dian)(dian)(dian)路，驱动(dong)电(dian)(dian)(dian)压在两个(ge)电(dian)(dian)(dian)压之间波动(dong)，驱动(dong)电(dian)(dian)(dian)压偏(pian)差由低电(dian)(dian)(dian)压提供，如下图所示。

当然，这个图(tu)有点问题，其实问题就是“驱动电源”需要悬浮，要以MOS的源极共“地(di)（给大家加(jia)深印象(xiang)）

下图是正确的图纸(zhi)。供各位参考

（六）自举逆变图

（七）满足隔离要求的驱动

为了满足安(an)全隔(ge)离的要求或(huo)者(zhe)提供高端浮动(dong)栅极驱动(dong)经常会采用变压(ya)器(qi)驱动(dong)。这种(zhong)驱动(dong)将(jiang)驱动(dong)控制和MOSFET进行(xing)了隔(ge)离，可(ke)以应用到低压(ya)及高压(ya)电路中去，如下图所示

变压(ya)器驱动(dong)说白了(le)就是隔离(li)驱动(dong)，当(dang)然现在(zai)也有专门的(de)驱动(dong)IC可以(yi)解(jie)决，但变压(ya)器驱动(dong)有自己(ji)的(de)特(te)点使得(de)很(hen)多(duo)人一直在(zai)坚持(chi)用。

图(tu)中耦合电(dian)(dian)容的作用是为(wei)磁(ci)化的磁(ci)芯提(ti)供复(fu)位电(dian)(dian)压，如果没有这个电(dian)(dian)容，会出现磁(ci)饱和。

与(yu)电容(rong)串联(lian)的(de)电阻的(de)作(zuo)用是为(wei)了防止(zhi)占(zhan)空比(bi)突然变化形成(cheng)LC的(de)震荡(dang)，因此加这个电阻进行缓解。

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