集成双极晶体管的MOSFET驱动电路以及外围器件选型设计讲解

原创 硬件那点事儿 2025-03-07 08:06

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Part 01

前言

在MOSFET驱动电路中,经常会遇到使用集成双极晶体管BJT作为栅极驱动器的情况。这种设计在PWM控制或电机驱动中非常常见,尤其是在需要快速开关和高效率时。下面是一个典型的带有BJT的栅极驱动电路,上一篇文章讲解了VDRV电源处去耦电容的选型计算,今天,我就结合这个电路,聊聊如何设计栅极驱动电路。

Part 02

BJT栅极驱动电路的工作原理

NPN晶体管确实只能在一个方向上处理电流,具体来说:当基极驱动为高时,集电极到发射极导通,可以“拉电流”,把MOSFET栅极拉高。但一旦栅极电容充电完成,电流不再流动,上管NPN就没法“灌电流”了。反过来,基极驱动为高时,下管NPN导通,可以“灌电流”把栅极拉低,但没法拉高。

这单向性决定了高侧NPN负责上拉,快速充电栅极电容,让MOSFET导通。低侧NPN负责下拉,快速放电栅极电容,让MOSFET截止。这样才能实现双向控制,满足MOSFET快速开关的需求。如果只用单NPN比如只拉不灌,开关速度会严重失衡,上升沿快,下降沿慢,影响效率。

MOSFET开关时,源极电感和输入电容之间会形成振荡。这是因为MOSFET源极到地之间的走线或引脚有寄生电感,开关时电流变化快(di/dt大),电感上产生反向电压。栅极电容放电时,电流通过RGATE和寄生电感,形成LC振荡回路。

振荡频率f ≈ 1/(2π√(Lsource × Cgs))

Lsource和Cgs值虽小,但di/dt够大,振荡就出来了

振铃可能让栅源电压(Vgs)超出MOSFET耐压,比如±20V,烧毁器件,并且振荡信号耦合到控制IC,影响PWM精度。开关损耗增加,系统发热。

Part 03

电路设计核心要点

为了给反向电流找条路,电路中通过增加低正向压降的肖特基二极管。这种二极管正向压降低约0.3V-0.5V,比普通二极管0.7V快,能快速提供回流路径,所以二极管的位置需要紧贴驱动器输出引脚和去耦电容,减少寄生电感。这样当振荡产生反向电压时,二极管导通,把能量导回VCC或GND,抑制振荡。

缺点就是这俩二极管只保护驱动器,肖特基二极管只能防止驱动器输出端过压,保护IC不被烧毁。但它不直接钳位MOSFET的栅源电压(Vgs),无法有效阻止Vgs振铃到危险值。如果控制IC离MOSFET栅源端子远,走线电感会加剧振荡,肖特基二极管效果有限。

所以需要注意的是肖特基二极管接在驱动器输出和VCC/GND之间,钳位的是驱动器电压,不是MOSFET的Vgs。真正的Vgs振铃需要用齐纳二极管跨接在栅源之间,钳位到安全值,比如15V,比如下图:

Part 04

总结

1.高侧NPN+低侧NPN的推挽输出,上下拉对称,减少单向电流导致的振荡。

2.RGATE值要折中:太小振荡严重,太大开关慢。10-20Ω是常见值。可以用示波器看Vgs波形,振铃超10%就调RGATE。

3.在MOSFET栅源间并联一个12V或15V齐纳二极管,限制Vgs振铃。注意齐纳二极管反向漏电流要考虑,选低漏型。

4.IC到MOSFET的走线越短越好,寄生电感Lsource降下来。10cm走线电感约50nH,缩短到2cm,电感降到10nH,振荡频率翻倍,能量减小。

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