MOSFET驱动电路类型的研究与测试_

引言

MOSFET是一种多子导电的单极性电压控制器件，具有开关速度快、输入阻抗高、驱动功率小、热稳定性好、安全工作区宽、无二次击穿等优点，在诸多领域中获得了越来越广泛的应用。为了适应不同场合下的使用要求，各种类型的MOSFET驱动电路也相继出现。不同驱动电路的驱动能力不同，输入驱动波形受到的影响也有所不同，所以对不同类型的MOSFET驱动电路进行研究和测试就显得非常重要。

② 为使MOSFET可靠导通，栅极电压（驱动电压）应高于开启电压UT（3～5V）,为减小导通电阻及导通损耗，应在不超过栅极击穿电压的前提下尽量加大栅极驱动电压。

③ 为加速关断，在关断时建立负的栅源电压，并给输入电容提供低阻抗的放电通道以加速电容放电，保证开关管能够快速关断。

④ 关断期间驱动电路最好能提供一定的负电压以避免受到干扰产生误导通。

⑤ 要求驱动电路结构简单可靠，损耗小，最好有隔离。

MOSFET对驱动电路的设计要求

由于MOSFET的开关特性与驱动电路的性能密切相关，设计优良的驱动电路能够有效地改善MOSFET的开关特性，从而减少开关损耗，提高整机效率及功率器件工作的稳定性。因此MOSFET驱动电路应满足以下要求：

① 导通时驱动电路应该能够提供足够大的驱动电流为输入电容充电，使MOSFET栅源极电压迅速上升到所需值，保证开关管能迅速导通且不存在上升沿的高频振荡。

图1 推挽式直接驱动电路及测试波形

和CMOS驱动等；隔离型驱动包括光耦隔离和磁耦合隔离两种形式。

1 推挽式直接驱动电路

推挽式驱动是最常用的直接驱动方式之一，适用于不要求隔离的小功率开关设备。它采用一对NPN和PNP晶体管搭建而成，可以实现导通时输出较大的驱动电流，关断时为栅极电荷提供低阻的放电回路，同时晶体管工作于射极跟随，不会出现饱和。

功率MOSFET属于电压型控制器件，只要栅极和源极之间施加的电压超过其阈值电压就会导通。由于MOSFET存在结电容，关断时其漏源两端电压的突然上升将会通过结电

MOSFET驱动电路的常见类型及特点

常见的MOSFET驱动电路可以分为直接驱动型和隔离驱动型两种。直接驱动包括推挽输出驱动、 TTL驱动

容在栅源两端产生干扰电压。常用的推挽式直接驱动电路的关断回路阻抗小，关断速度较快。但它不能提供负压，故其抗干扰性较差。其电路和实

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Applications应用设计生产的可直接驱动小功率MOSFET和IGBT的功率型光耦，最大驱动能力1.5A。其内部电路结构如图3所示。选用TLP250光耦既保证了功率驱动电路与PWM脉宽调制电路的可靠隔离，又具备了直接驱动MOSFET的能力，

图2 TTL 驱动电路及测试波形

使驱动电路特别简单。

验波形如图2所示。

由波形图可以看出，相比推挽式直接驱动电路，TL494驱动电路没有出现短暂的负压。但是由于没有完全消除极间电容对波形的影响，导通时间和关断时间都有一定程度的延长，驱动波形出现了较大的畸变。

3 光耦隔离驱动电路

隔离型驱动电路是将驱动电路

相比直接驱动的电路，光耦TLP250能够起到很好的隔离效果，能够对驱动波形起到一定的保护作用。其电路和实验波形如图4所示。

从图4中可以清楚地看出，相比直接驱动的电路，隔离电路在开关特性方面要好一些，但是仍然存在着一定的延迟，并且在关断时产生了短暂的振荡。这种振荡是由光耦回路与MOSFET的极间电容形成的振荡回路产生的。

4 磁耦合驱动电路

磁耦合驱动电路又叫变压器驱动电路，主要用于驱动高压MOSFET。磁耦合驱动电路采用变压器进行隔离。

变压器有两个绕组，初级绕组和次级绕组实现了电路的隔离（见图5），初、次级匝数比的变化实现了电

图3 TLP250内部电路结构

验波形图如图1所示。

由图1可知，在MOSFET导通期间，由于极间电容效应，导致驱动波形发生畸变，上升时间增长，这种影响来自于MOSFET极间电容充电时间的滞后。在MOSFET关断瞬间，开关管对驱动有一个反充电过程，导致短暂的负压出现，极间电容对外实现放电。

2 TTL驱动电路

TTL驱动使用电流控制器件，其优点是速度快，传输延迟时间短，缺点是功耗较大。实际使用中很多场合都需要用TTL电平驱动MOSFET，于是出现了很多专用集成电路来实现这一功能。

以TL494芯片为例，这是一种固定频率脉宽调制电路，包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。由于芯片本身就具有一定的驱动能力，可以在满足一定频率要求的情况下直接驱动MOSFET，被广泛应用于各种开关电源之中。

由于TL494直接驱动MOSFET的能力有限，因此在实验中增加了一对三极管增加其驱动能力，其电路和实

与MOSFET电路进行电气隔离。该类型电路可以有效地减少驱动电路对MOSFET波形的干扰，从而对波形起到一定的保护作用。

光耦TLP250是一款由东芝公司

压的缩放变换。该电路具有以下优点：

图4 光耦隔离驱动电路及测试波形

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应用设计 Applications① 电路结构简单可靠，具有电气隔离作用。当脉宽变化时，驱动的关断能力不会随着变化。

② 导通和关断的延迟非常低，可以在很高的压差下工作。

③ 只需一个电源，即单电源工作。隔直电容可以为关断所驱动的管子提供一个负压，以加速功率管的关断，且有较强的抗干扰能力。

其电路和实验波形如图5所示。

结论

从图5可以看出，相比以上几个驱动电路，磁耦合驱动电路的导通和关断的延迟非常短，能够很好保持驱动波形。表1对不同驱动电路进行了比较。

延长了很多，而且在关断时出现了短暂的反压过程，这种过程会对开关管的开关特性和驱动电路造成一定不利的影响，因此直接推挽电路只适用于对驱动波形要求不高的低频驱动中。本身具有一定的驱动能力的TTL方式驱动效果稍好，但其导通关断延迟有

通过以上几组实验可以明显地看出，推挽式直接驱动电路实验中驱动波形受到极大的影响，不仅上升时间

一定延长，会增加电路的动态损耗，加之TTL电路本身的驱动能力有限，因此此类驱动电路只适用于一些小功率的驱动电路。光耦合隔离电路实验使用了光电耦合器进行隔离，效果较好，在高效开关电源和逆变电源中有着广泛的应用。磁耦合隔离电路实验使用磁耦合隔离，效果很好，在不同功率的开关电源中都有着广泛的使

图5 磁耦合驱动电路及测试波形表1 不同驱动电路的比较驱动电路电路特点波形特点适用场合

推挽式直接驱动

TTL驱动

用。

光耦隔离驱动磁耦合驱动

使用变压器进行隔离，且有隔直电容

电路结构简单，无隔离，抗电路结构较简单，无隔离，驱使用光耦隔离干扰能力较差动能力较差

上升时间长，关断瞬间存在导通时间与关断时间都有一定上升沿存在较小延时，关断瞬间较好地保持驱动波形短暂负压程度的延长存在短暂振荡对驱动波形要求不高的低频小功率驱动场合驱动场合

高效开关电源和逆变电源

各种功率的开关电源

ARM生态系统在2013继续壮大去年全球基于ARM芯片出货量是87亿，累计一共达到400亿，其总体市场份额也增加到32%。到2012年底，基于ARM架构的移动设备出货量已经达到10亿台。

ARM公司在2013年会继续培育重点市场，移动计算、服务器、网络连接、嵌入式图形处理是四大主攻方向。

在后PC时代，互联网移动设备的出货量已达16亿，X86只占市场四分之一，大部分由ARM、MIPS以及其它架构占据。预计到2017年移动设备出货量可达40亿，移动计算潜力无穷。因此，这是ARM首先关注的。

在服务器领域里，数据中心对能耗的要求越来越严

格，而ARM架构的功耗优势非常明显，因而进入这个市场是顺风顺水。

未来5年移动网络数据流量将增长18倍。这些推动基础设备的发展，而这又对于功耗效率以及整个生态系统提出了更高的要求，ARM在家用网络设备的优势，得其能进一步满足在企业级以及基础设施级网络设备的需求。

最后一个领域是嵌入式图形处理器，而Mali系列已经是授权范围最广的图形处理器之一，其2012年总出货量达1.5亿，涵盖了智能手机、平板电脑等产品，预计2013年25家以上的合作伙伴其Mali系列总出货量将超过2.4亿。

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