用PNP三极管搭建MOSFET快速关断电路为什么要并联一个二极管,1000字搞定它

原创 硬件那点事儿 2025-03-17 08:05

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Part 01

前言

下图是一个使用NPN晶体管实现的MOSFET驱动电路,电路很简单,一个RGATE电阻、二极管DON和关断晶体管QOFF。这个电路设计类似“轻量版Totem-Pole”的MOSFET驱动拓扑,既保留了高效驱动的优点,又通过独特布局优化了性能。RGATE电阻和晶体管QOFF的作用很好理解,但是二极管DON有什么用呢?今天就来讲解一下。

Part 02

电路讲解

这电路的核心在于QOFF也就是关断NPN和DON开通二极管的配合,QOFF在关断期间通过基极-发射极结与MOSFET栅极-源极形成局部短路,迅速对栅极电容Cgs放电。RGATE的作用是限制开通速度,确保电流Ig≈(VDRV-Vgs(th))/RGATE(Vgs(th)为阈值电压)不过激,防止振荡。

DON二极管有什么用呢?这玩意在这里是个“多面手”:

首先DON二极管是提供开通电流路径,对MOSFET的栅极寄生电容Cgs快速充电。

其次DON二极管可以保护QOFF的基极-发射极结,避免开通过程初期的反向电压击穿QOFF的基极-发射极结,比如MOSFET开启时,栅极产生振荡可能会在QOFF的基极-发射极结产生的反向偏置电压,一般三极管基极-发射极反向耐压在6V左右,比如下图,并联一个二极管就能避免QOFF的基极-发射极结被损坏。

最小环路与低损耗:

这个电路的亮点在于优化了电流环路。MOSFET关断时,QOFF将高峰值放电电流限制在最小的环路内:栅极、源极、QOFF的集电极和发射极之间,高峰值放电电流可能达数百mA,取决于Cgs和dv/dt值,环路中的寄生电感L_parasitic通过采用短走线可以降到1nH左右,阻抗Z_L = jωL(ω = 2πf,f = 100MHz)仅约j0.6Ω,这样可以把栅极振荡被压得死死的。

而且关断电流不需要返回驱动器,避免了MOSFET误导通风险,因为驱动器输出阻抗R_driver在dv/dt出现时会产生压降。而且这还顺带把驱动器功率损耗砍了整整一半,而且QOFF一直处于不饱和状态,因为基极电流Ib < Ic / β,β ≈ 20-50,这样可以确保三极管快速切换,开关时间t ≈ Qg / Ig(Qg为栅极电荷)也会比较小。

钳位机制:

而且这个电路设计跟Totem-Pole驱动器有异曲同工之妙。QOFF的基极-发射极结和DON的正向特性,让栅极电压被钳制在:

最低:GND+0.7V(QOFF导通时)

最高:VDRV-0.7V(DON导通时)

比如VDRV = 12V,则栅极电压被钳制在0.7V到11.3V,这大大降低了栅极电压过压的风险,相当于给MOSFET装了个“防爆膜”。而且这样可以省了栅极加稳压二极管的麻烦。

这电路唯一的遗憾在于QOFF的基极-发射极压降≈0.7V,让栅极无法拉到真正的0V。当Vgs < 0.7V时,剩余电荷放不掉,关断不彻底。不过,对于高频开关场景,这点瑕疵影响不大。

总结来说:

布局:驱动器贴MOSFET放置,D_ON和Q_OFF走线要短,寄生电感降到最低。

RGATE:10-20Ω起步,示波器测Vgs波形,振铃超10%就调大。

旁路电容:VDRV旁加0.1μF+1μF,稳住瞬态。

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