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。
双扩散型晶体管在1970年开始应用于电源方面并在以后的时间里不断的发展。使用多晶硅闸门结构和自动调整过程，使高密度的集成和电容迅速的减小成为可能。
下一个重大的进步是在功率MOSFET器件上V沟槽技术或者称为沟渠技术，使集成度进一步的提高。更好的性能和更高的集成度并不是由你随便就能得来的，这是因为这将导致MOS器件沟渠
更难制造。
在这里第三个器件类型是横向功率MOSFET。该器件的电压、电流是受限制的，这是由于其对芯片形状的低效利用。然而,他们能在低电压应用上提供很大的效益, 如在微型电源或在隔离转换同步整流器中。由于横向功率MOSFET有着相当小的电容，因此他们的开关速度可以很快而且栅极驱动损耗也比较小。
场效应晶体管模型
有很多的模型来说明MOSFET如何工作，然而找到正确的适合的模型是比较困难的。大多数MOSFET制造商为他们的器件提供普通或者军用（Spice and/or Saber）模型，但是这些模型很少告诉使用者在实际使用中的陷阱。他们甚至很少提供在使用中最常见的最普通问题的解决方案。一个真正有用的MOSFET模型会从应用的角度描述器件所有重要的性质，这使得其模型可能会相当复杂。另一方面，如果我们把模型限制在某一问题领域，那么我们可以得到十分简单并有意义的MOSFET模型。在图2中第一个模型是基于MOSFET器件的实际结构, 它主要用于直流的分析。它表示出了沟道阻抗和JFET（相当于外延层的阻抗）。外延层的厚度（决定外延层的阻抗）是器件额定电压的函数，而高电压的MOSFET需要一个厚的外延层。
图2b可以非常好的展示MOSFET的dv/dt引发的击穿特性。它主要展现了两种击穿机制，即诱发寄生晶体管（所有的管子均有）的导通和dv/dt根据栅极阻抗诱发沟道导通。现代的功率MOSFET由于生产工艺的提高减小了基极和发射极的电阻，因此，实
际上对dv/dt诱发寄生npn晶体管导通是有免疫的。必须指出的是，寄生性双极晶体管还扮演着另一个重要的角色。它的基集结就是有名的MOSFET的体二极管。
图2c是场效应晶体管的开关模型。影响开关性能的最重要的寄生部分都展现在这个模型中。它们对器件的开关过程的影响将在下一章中讨论。
MOSFET的重要参数
当MOSFET工作在开关状态下，目标是在可能的最短时间内实现器件在最
低阻抗和最高阻抗之间的切换。由于MOSFET实际的开关时间（10ns—60ns）至少比理论开关时间（50ps—200ps）大2~3个数量级，因此有必要了解其差异。参考图2中MOSFET的模型，可以发现所有的模型在器件的三端之间都连有一个等效电容。毫无疑问，开关速度和性能决定于这三个电容上电压变化的快慢。
因此，在高速开关应用中，器件的寄生电容是一个重要的参数。 电容CGS和电容CGD与器件的实际几何尺寸有关，而电容CDS是寄生在双集晶体管的基集二极管间的电容。
电容CGS是由于源极和栅极形成的沟道区域的重叠形成的。它的值由器件实际的区域几何尺寸决定而且在不同的工作条件下保持不变。电容CGD由两个因素决定。一是耗尽层（是非线性的）的电容；二是JFET区域和栅极的重叠。等效电容CGD是器件漏源极电压的函数，大致可用下面公式计算得到：
电容CDS也是非线性的，这是由于它是体二极管的结电容。它和电压间关系为：
不幸的是，上述的所有电容在器件的资料表中均未涉及和说明。它们的值由Ciss（栅短路共源输入电容）、Crss（栅短路共源反向传输电容）、Coss（栅短路共源输出电容）间接给出，而且必须用下列公式计算：
在开关应用中，电容CGD会引起其他复杂问题，这是由于它处于器件输入与输出间的反馈回路中。因此，它在开关应用中有效值可能会很大，它的值取决于
高速MOS驱动电路设计和应用指南
