原创 MOSFET 和 IGBT 栅极驱动器电路的基本原理

第一步，器件的输入电容从0V充电至VTH。在此期间，大部分栅极电流用于对CGS电容器充电。少量电流也会流经CGD电容器。随着栅极端子电压升高，CGD电容器的电压将略有下降。这个期间称为开通延时，因为器件的漏极电流和漏极电压保持不变。

栅极充电至阀值电平后，MOSFET就能载流了。在第二个阶段中，栅极电平从VTH升高到米勒平坦电平VGS,Miller。当电流与栅极电压成正比时，这是器件的线性工作区。在栅极侧，就像在第一阶段中那样，电流流入CGS和CGD电容器中，并且VGS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(VDS,off)。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电平。

进入开通过程第三阶段后，栅极已充电至足够电压(VGS,Miller)，可以承载完整的负载电流且整流器二极管关断。此时，允许漏极电压下降。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CGD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。

开通过程的最后一步是通过施加更高的栅极驱动电压，充分增强MOSFET的导通通道。VGS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，VGS从VGS,Miller上升至最终值VDRV。这通过对CGS和CGD电容器充电来实现，因此现在栅极电流在两个组件之间分流。当这些电容器充电时，漏极电流仍然保持恒定，而由于器件的导通电阻下降，漏源电压略有下降。

第一个阶段是关断延迟，需要将CISS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CISS电容器自己提供，并流经MOSFET的CGS和CGD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的漏源电压从ID⋅RDS(on)上升至最终的VDS,off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CGD电容器的充电电流，因为栅源极电压是恒定的。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。

第三阶段的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VGS,Miller下降至VTH。绝大部分栅极电流来自CGS电容器，因为CGD电容器实际上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，栅源极电压下降导致漏极电流减小并接近于零。同时，由于正向偏置整流器二极管的作用，漏极电压在VDS,off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。VGS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CGS电容器提供。器件的漏极电流和漏极电压保持不变。

概括而言，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以及出色的栅极驱动设计对于高速高频开关 应用非常重要。

遗憾的是，这些数字与特定测试条件和电阻负载相对应，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。

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。VDS,off会影响米勒电荷（即曲线平坦部分下面的区域），从而影响开关周期内所需的总栅极电荷。从 图6中获得总栅极电荷后，可根据 公式9计算栅极电荷损耗。

PGATE= VDRV  ×  QG   ×  fDRV       (9)

其中
•  VDRV是栅极驱动波形的幅度
•  fDRV是栅极驱动频率，通常等于开关频率

应注意的是，前面公式中的QG⋅fDRV项给出了驱动栅极所需的平均偏置电流。

在栅极驱动电路中驱动MOSFET晶体管栅极会产生功率损耗。返回 图4和 图5，可以确定栅极驱动路径中串联欧姆阻抗的组合是耗能分量。在每个开关周期中，所需的栅极电荷应通过驱动器输出阻抗、外部栅极电阻器和内部栅极网状电阻。实际上，功率损耗与通过电阻器传输电荷的快慢无关。

寄生器件的影响

源极电感对开关性能的影响最大。典型电路中寄生源极电感有两个来源：巧妙集成在MOSFET封装中的源极接合线以及源极引线和共用接地之间的印刷电路板线路电感。这通常是指功率级高频滤波器电容器和栅极驱动器的旁路电容器的负电极。与源极串联的电流感应电阻器可以向之前的两个分量添加更多电感。

在需要源电感器的开关流程中有两种机制。在开关切换开始时，栅极电流快速增加，如 图4和 图5中所示。此电流必须流经源电感，并根据电感值减小。因此，对MOSFET的输入电容充电/放电所需的时间延长，从而主要对开关延时（第1步）产生影响。而且，源电感器和CISS电容器会形成一个谐振电路，如 图7中所示。

此谐振电路在栅极驱动电压波形的陡峭边缘退出，这是在大多数栅极驱动电路中观察到振荡峰值的根本原因。遗憾的是，CISS和LS之间非常高的Q共振会通过（或可通过）环路的串联电阻分量衰减，这些分量包括驱动器输出阻抗、外部栅极电阻器和内部栅极网状电阻器。