用两个NPN三极管搭建一个MOSFET驱动电路,1000字讲解清楚原理和选型

原创 硬件那点事儿 2025-03-19 08:05

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Part 01

前言

今天分析一下下面的这个电路,一个基于NPN三极管的MOSFET栅极自偏置关断电路。电路很简单,里面可是藏着不少门道,既有设计亮点,也有效率与延迟问题。咱们一边分析,一边看看器件选型和计算的门道,争取把这电路的“前世今生”讲透了!

Part 02

电路分析

这个电路的核心任务是驱动MOSFET,通过控制其栅极电压来实现开关动作。从电路图来看,驱动器的输出信号经过一系列处理后,控制MOSFET的栅极。PWM信号通过QINV反相后,驱动QOFF来完成MOSFET的关断。听起来挺简单,但细节里可藏着不少“坑”。

我们先来看看MOSFET的导通和关断过程是怎么完成的。

导通阶段:当驱动器输出高电平VDRV时,信号通过二极管DON直接作用到MOSFET的栅极。

关断阶段:驱动器输出低电平,OUT信号通过QINV反相后变成高电平,驱动QOFF导通。简单点来说就是OUT输出低以后,此时MOSFET栅极由于栅极电容的存在其电平还是高,DON反向截止,那么MOSFET栅极电容储存的电荷只能通过QOFF基极电阻->QOFF发射极释放,进而QOFF  CE会导通,之后MOSFET的栅极被拉低到接近GND,实现快速关断。QINV在这里扮演了“信号反相”的角色,但也带来了不少副作用。

效率问题:QINV的“偷电流”行为

QINV是个反相器,当MOSFET导通时,它会从驱动器中“偷”走一部分电流。这是因为QINV需要维持自身的偏置状态,而这部分电流并不会直接用于驱动MOSFET,而是白白消耗掉了。假设驱动器的工作电压VCC为12V,QINV的偏置电阻为2kΩ,那么偏置电流大约是:

6mA看似不多,但如果PWM信号的占空比是50%,且开关频率是100kHz,这个额外功耗可就不小了:

延迟问题:QINV和QOFF的动作延时

QINV在导通时会进入饱和状态,这会导致关断延时的增加。为什么呢?因为三极管从饱和状态退出时,存储在基极的电荷需要时间释放,这个时间具体取决于三极管的型号和偏置条件。

另外,QOFF的偏置电流建立也需要时间。QOFF的基极电阻和基极寄生电容存在RC时间常数,这意味着偏置电流的建立需要大约几个时间常数才能稳定。这段时间会直接增加MOSFET的关断延迟,影响开关速度,尤其在高频应用中会更明显。

QOFF和QINV是NPN三极管,考虑到它们需要快速开关,建议选择高速开关三极管,比如2N3904。这类三极管的开关时间通常比较快,集电极电流能力在几百mA,足够应对栅极驱动的需求。

RGATE的作用是限制栅极电流,避免冲击过大。假设MOSFET的栅极电容是1nF,驱动电压是12V,目标充电时间是50ns,那么需要的栅极电流为:

RGATE的值可以根据驱动器的输出能力来选,假设驱动器能提供0.5A的峰值电流,RGATE为:
DON需要快速导通和低正向压降,肖特基二极管是不错的选择,比如1N5819,正向压降约0.3V。这比普通二极管0.7V更高效,能稍微降低功耗。

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