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MOSFET栅极简介

MOSFET栅(zha)(zha)极(ji)(ji)，场(chang)效(xiao)应管(guan)(guan)(guan)(guan)根据三极(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)的原理开发出的新(xin)一代放大元件(jian)，有3个极(ji)(ji)性，栅(zha)(zha)极(ji)(ji)，漏极(ji)(ji)，源极(ji)(ji)，它的特点是栅(zha)(zha)极(ji)(ji)的内阻极(ji)(ji)高，采用(yong)二氧化硅材料的可以达到(dao)几百兆(zhao)欧，属(shu)于(yu)电(dian)压(ya)控制型器件(jian)。场(chang)效(xiao)应晶体管(guan)(guan)(guan)(guan)（FieldEffectTransistor缩(suo)写(FET)）简称(cheng)场(chang)效(xiao)应管(guan)(guan)(guan)(guan)。由多(duo)数载流子参与导电(dian)，也称(cheng)为单极(ji)(ji)型晶体管(guan)(guan)(guan)(guan)。它属(shu)于(yu)电(dian)压(ya)控制型半导体器件(jian)。

MOSFET栅极常见电路

1:去除电路耦合进去的噪(zao)音，提高系统的可靠性。

2：加速MOSFET的导通(tong)，降低导通(tong)损(sun)耗。

3：加(jia)速MOSFET的(de)关断，降低关断损耗。

4：降低MOSFET DI/DT，保护MOSFET同时抑(yi)制(zhi)EMI干扰(rao)。

5：保(bao)护栅(zha)极，防止异常高压条件下栅(zha)极击穿。

6：增加驱(qu)动能力，在较小的信(xin)号下，可以(yi)驱(qu)动MOSFET。

（一）直接驱动

首(shou)先说一下电(dian)源IC直接驱动，下图是我们最(zui)常用的(de)(de)(de)直接驱动方(fang)(fang)式，在(zai)这类(lei)方(fang)(fang)式中，我们由于驱动电(dian)路未做过多处理，因此我们进行(xing)(xing)PCB  LAYOUT时要尽(jin)量进行(xing)(xing)优(you)化。如缩(suo)短IC至MOSFET的(de)(de)(de)栅(zha)极(ji)(ji)走线长度(du)，增加(jia)走线宽度(du)，尽(jin)量将Rg放置在(zai)离MOSFET栅(zha)极(ji)(ji)较进的(de)(de)(de)位(wei)置，从而达(da)到(dao)减少寄(ji)生电(dian)感，消除噪音(yin)的(de)(de)(de)目(mu)的(de)(de)(de)。

当然另(ling)一(yi)个(ge)问题(ti)我(wo)(wo)们(men)得考虑(lv)，那就是PWM  CONTROLLER的驱动(dong)能(neng)(neng)力，当MOSFET较大时(shi)，IC驱动(dong)能(neng)(neng)力较小(xiao)时(shi)，会(hui)出(chu)现驱动(dong)过(guo)慢，开关损(sun)耗过(guo)大甚至不能(neng)(neng)驱动(dong)的问题(ti)，这(zhei)点我(wo)(wo)们(men)在设计时(shi)需要注意。

（二）IC内部驱动能力不足时

当然，对于IC内部驱动能力不足的问(wen)题我们也可(ke)以采(cai)用下(xia)面(mian)的方法来解决。

这种增(zeng)加(jia)驱动能力的(de)方(fang)式不(bu)仅增(zeng)加(jia)了导(dao)通时(shi)间，还可(ke)以加(jia)速关(guan)断时(shi)间，同(tong)时(shi)对(dui)控(kong)制毛刺及功率损耗由(you)一定的(de)效(xiao)果。当然这个(ge)我们(men)在LAYOUT时(shi)要尽量将(jiang)这两个(ge)管子放的(de)离MOSFET栅极较近的(de)位置(zhi)。这样做的(de)好处还有(you)减少(shao)了寄生(sheng)电(dian)感，提高了电(dian)路的(de)抗干扰性。

（三）增加MOSFET的关断速度

如果(guo)我们(men)单(dan)单(dan)要(yao)增加(jia)MOSFET的关断速(su)度，那么(me)我们(men)可以采用下面(mian)的方式(shi)来进行。

关断电(dian)(dian)流比较大(da)时(shi)，能(neng)使MOSFET输入电(dian)(dian)容放电(dian)(dian)速度更(geng)快，从(cong)而降低关断损耗。大(da)的(de)(de)放电(dian)(dian)电(dian)(dian)流可以(yi)通过选择(ze)低输出阻抗(kang)的(de)(de)MOSFET或N沟道的(de)(de)负(fu)的(de)(de)截止(zhi)的(de)(de)电(dian)(dian)压器件(jian)来实(shi)现，最常用(yong)的(de)(de)就是加加速二极管(guan)。

栅极(ji)(ji)关(guan)断(duan)时(shi)，电(dian)流在(zai)电(dian)阻(zu)上产生(sheng)的压降大于二(er)(er)极(ji)(ji)管导(dao)通压降时(shi)，这时(shi)二(er)(er)极(ji)(ji)管会导(dao)通，从而将(jiang)电(dian)阻(zu)进行旁路(lu)，导(dao)通后(hou)，随(sui)着电(dian)流的减小(xiao)(xiao)，二(er)(er)极(ji)(ji)管在(zai)电(dian)路(lu)中的作(zuo)用越来越小(xiao)(xiao)，该电(dian)路(lu)作(zuo)用会显著的减小(xiao)(xiao)MOSFET关(guan)断(duan)的延迟(chi)时(shi)间。

（四）PNP加速关断驱动电路

PNP加速(su)关断电(dian)(dian)路是目前应用最多(duo)的(de)电(dian)(dian)路，在加速(su)三(san)级(ji)管(guan)的(de)作用下可(ke)以(yi)实现瞬(shun)间的(de)栅源(yuan)短(duan)路，从(cong)而达(da)到(dao)最短(duan)的(de)放电(dian)(dian)时间，之所以(yi)加二(er)极(ji)管(guan)一方面是保护三(san)级(ji)管(guan)基极(ji)，另一方面是为导通电(dian)(dian)流(liu)提供(gong)回路及(ji)偏置，该(gai)电(dian)(dian)路的(de)优点(dian)为可(ke)以(yi)近似达(da)到(dao)推拉的(de)效果加速(su)效果明(ming)显，缺点(dian)为栅极(ji)由于经过两个(ge)PN节(jie)，不能是栅极(ji)真(zhen)正的(de)达(da)到(dao)0伏。

（五）当源极输出为高电压时的驱动

当源极(ji)输出为高电(dian)(dian)(dian)压的(de)情况时，需要采用偏置(zhi)电(dian)(dian)(dian)路(lu)达到电(dian)(dian)(dian)路(lu)工作的(de)目的(de)，既(ji)以源极(ji)为参考点(dian)，搭建(jian)偏置(zhi)电(dian)(dian)(dian)路(lu)，驱(qu)动电(dian)(dian)(dian)压在(zai)两个电(dian)(dian)(dian)压之(zhi)间波动，驱(qu)动电(dian)(dian)(dian)压偏差由(you)低电(dian)(dian)(dian)压提供，如下图(tu)所示。

当然，这个图有点问题(ti)，不(bu)知(zhi)道大家看出来来了吗？

其(qi)实问题就(jiu)是“驱动电(dian)源”需要悬浮，下面就(jiu)是正确的电(dian)路如，供(gong)各(ge)位参(can)考。

（六）满足隔离要求的驱动

为了(le)满(man)足安全隔(ge)离(li)(li)的要求或者提供高端浮(fu)动栅极驱动经(jing)常会采(cai)用变压(ya)器驱动。这种驱动将驱动控制和MOSFET进行(xing)了(le)隔(ge)离(li)(li)，可(ke)以应用到低(di)压(ya)及高压(ya)电路中去，如下图所(suo)示

变压(ya)器驱动(dong)(dong)说(shuo)白了(le)就是(shi)隔离(li)驱动(dong)(dong)，当然现在也(ye)有(you)专门的驱动(dong)(dong)IC可以(yi)解决，但(dan)变压(ya)器驱动(dong)(dong)有(you)自己的特点使得很多人一直在坚(jian)持用。

图中耦合(he)电容(rong)的(de)作(zuo)用(yong)是为磁(ci)化的(de)磁(ci)芯提供复位电压，如果没(mei)有这(zhei)个(ge)电容(rong)，会出(chu)现磁(ci)饱(bao)和。

与电(dian)容串(chuan)联的(de)电(dian)阻(zu)的(de)作(zuo)用(yong)是为了防(fang)止占空(kong)比突然变化形(xing)成LC的(de)震荡，因此加(jia)这(zhei)个电(dian)阻(zu)进行缓解。

（七）自举逆变图

下面是一个实际的自举(ju)逆变图(tu)，供参考(kao)。

MOSFET栅极电压对电流的影响

图中(zhong)显示的是电子密(mi)度(du)的变化。阈值电压(ya)在0.45V左(zuo)右。

FET通过影(ying)响(xiang)导(dao)电(dian)(dian)(dian)沟道的(de)(de)尺寸和(he)形(xing)状，控制从源(yuan)到漏(lou)的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)子流（或者空(kong)穴(xue)流）。沟道是(shi)由（是(shi)否(fou)）加在(zai)栅(zha)极和(he)源(yuan)极的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)压(ya)而创造和(he)影(ying)响(xiang)的(de)(de)（为了(le)讨论的(de)(de)简(jian)便，这默(mo)认体和(he)源(yuan)极是(shi)相连的(de)(de)）。导(dao)电(dian)(dian)(dian)沟道是(shi)从源(yuan)极到漏(lou)极的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)子流。

耗尽模式

在一(yi)(yi)个n沟道(dao)(dao)"耗尽(jin)模式"器件，一(yi)(yi)个负的(de)栅源(yuan)电(dian)压(ya)将造成(cheng)一(yi)(yi)个耗尽(jin)区去拓展宽度，自边界侵占(zhan)沟道(dao)(dao)，使沟道(dao)(dao)变窄。如果(guo)耗尽(jin)区扩展至完全关闭沟道(dao)(dao)，源(yuan)极和漏极之间(jian)沟道(dao)(dao)的(de)电(dian)阻将会变得很大，FET就会像(xiang)开(kai)关一(yi)(yi)样有(you)效(xiao)的(de)关闭（如右图所(suo)示(shi)，当(dang)栅极电(dian)压(ya)很低(di)时，导电(dian)沟道(dao)(dao)几乎不存在）。类(lei)似的(de)，一(yi)(yi)个正的(de)栅源(yuan)电(dian)压(ya)将增大沟道(dao)(dao)尺寸，而使电(dian)子更易流过(guo)（如右图所(suo)示(shi)，当(dang)栅极电(dian)压(ya)足(zu)够高时，沟道(dao)(dao)导通）。

增强模式

相反的(de)(de)(de)(de)(de)，在一个n沟道(dao)(dao)"增(zeng)强模式"器件(jian)中，一个正(zheng)的(de)(de)(de)(de)(de)栅(zha)(zha)(zha)源(yuan)(yuan)电(dian)(dian)压(ya)(ya)是制造(zao)导(dao)电(dian)(dian)沟道(dao)(dao)所必需的(de)(de)(de)(de)(de)，因为(wei)(wei)它不可能(neng)在晶(jing)体(ti)管中自然的(de)(de)(de)(de)(de)存在。正(zheng)电(dian)(dian)压(ya)(ya)吸引了(le)体(ti)中的(de)(de)(de)(de)(de)自由移动的(de)(de)(de)(de)(de)电(dian)(dian)子(zi)向栅(zha)(zha)(zha)极运动，形成了(le)导(dao)电(dian)(dian)沟道(dao)(dao)。但(dan)是首先(xian)，充足的(de)(de)(de)(de)(de)电(dian)(dian)子(zi)需要被吸引到(dao)栅(zha)(zha)(zha)极的(de)(de)(de)(de)(de)附近区(qu)域(yu)去(qu)对抗加(jia)在FET中的(de)(de)(de)(de)(de)掺杂离子(zi)；这形成了(le)一个没(mei)有运动载流子(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)被称为(wei)(wei)耗尽(jin)区(qu)的(de)(de)(de)(de)(de)区(qu)域(yu)，这种现(xian)象被称为(wei)(wei)FET的(de)(de)(de)(de)(de)阈(yu)值电(dian)(dian)压(ya)(ya)。更高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)栅(zha)(zha)(zha)源(yuan)(yuan)电(dian)(dian)压(ya)(ya)将会(hui)吸引更多的(de)(de)(de)(de)(de)电(dian)(dian)子(zi)通过栅(zha)(zha)(zha)极，则会(hui)制造(zao)一个从源(yuan)(yuan)极到(dao)漏极的(de)(de)(de)(de)(de)导(dao)电(dian)(dian)沟道(dao)(dao)；这个过程叫做(zuo)"反型"。

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