MOSFET场效应管栅极驱动电流的计算

MOSFET驱动

MOSFET场效应管是电压驱动器件,输入有电容,因此为可靠驱动MOSFET,栅极需要施加较大的驱动电流。

功率MOSFET开关模型

该模型显示了影响开关性能的最重要的寄生器件。
功率MOSFET开关模型
图1

MOSFET开通过程

MOSFET场效应管的开通动作可分为如下图所示的4个阶段。
MOSFET开通过程
图2
第一阶段,器件的输入电容从0V充电至VTH。在此期间,大部分栅极电流用于对CGS电容器充电。少量电流也会流经CGD电容器。随着栅极电压升高,CGD电容器的电压将略有下降。这个期间称为开通延时,因为器件的漏极电流和漏极电压保持不变。
栅极充电至阀值电平后,MOSFET就能载流了。
第二阶段,栅极电平从VTH升高到米勒平坦电平VGS,Miller。当电流与栅极电压成正比时,这是器件的线性工作区。在栅极侧,就像在第一阶段中那样,电流流入CGS和CGD电容器中,并且VGS电压升高。在器件的输出端,漏极电流升高,同时漏源电压保持之前的电平 (VDS,off)。在所有电流传输到 MOSFET 中并且二极管完全关断能够阻止其 PN 结上的反向电压之前,漏极电压必须保持输出电压电平。
第三阶段,栅极已充电至足够电压 (VGS,Miller),可以承载完整的负载电流且整流器二极管关断。此时,允许漏极电压下降。当器件上的漏极电压下降时,栅源极电压保持稳定。这就是栅极电压波形中的米勒平坦区域。驱动器提供的所有栅极电流都被转移,从而对CGD电容器充电,以便在漏源极端子上实现快速的电压变化。现在,器件的漏极电流受到外部电路(这是直流电流源)的限制,因此保持恒定。
开通过程的最后一步是通过施加更高的栅极驱动电压,充分增强MOSFET的导通通道。VGS的最终幅值决定了开通期间器件的最终导通电阻。
第四阶段,VGS从VGS,Miller上升至最终值VDRV。这通过对CGS和CGD电容器充电来实现,因此现在栅极电流在两个组件之间分流。当这些电容器充电时,漏极电流仍然保持恒定,而由于器件的导通电阻下降,漏源电压略有下降。

栅极所需驱动电流计算公式

一个很重要的参数是计算栅极驱动电流必须的:Qg
Ig=Qg/t

Ig=Qg X F
这2个公式实质是一样的,开关周期时间和频率互为倒数,所以一个乘,另一个除,实际使用,根据需要,任选一个即可。
Ig:栅极驱动电流
Qg:总栅极电荷,向栅极施加电压(从零电压到指定电压)的电荷量
t:MOSFET场效应管开启-关闭的时间,也是开关周期
F:MOSFET场效应管的开关频率
应注意的是,前面公式中的 Qg*F 项给出了驱动栅极所需的平均偏置电流。
根据图2 MOSFET开通过程
栅极峰值驱动电流会在瞬间使CISS充电或放电,然后在MOS开关开通时减小。
峰值驱动电流的计算取决于在多少开关时间ton/toff内移动多少总栅极电荷Qg。
ton/toff由设计决定,不确定的情况下,可按开关周期t的1%-2%,根据测试结果再行调整。
因此栅极峰值驱动电流为上述Ig的50-100倍。
务必注意,即使在高温下,驱动强度也不会显著降低。
在高温下,功率 MOSFET 内部栅极电阻会增加,这会减慢开启和关闭速度。功率 MOSFET 的缓慢开启和关闭可能会导致开关损耗增加。因此,在比较两个栅极驱动器时,务必注意最大推荐工作温度下的驱动电流能力。

栅极驱动电流调整

在输出足以驱动MOSFET的情况下,可通过R栅极电阻来调节驱动电流
外部栅极电阻器,这个栅极电阻的值会极大地影响系统的性能。例如,如果系统使用 20Ω 外部栅极电阻器,则无论在 10V 偏置电压下使用 2A 还是 3A 栅极驱动器,系统性能都可能不会受到显著影响。还需要注意的是,即使由于驱动电流能力的差异较大而导致系统性能存在差异,也可以通过调整栅极电阻值来弥补这种差异。例如,可以将 3A 驱动器的10Ω 栅极电阻器更改为 2A 栅极驱动器的较低值电阻器或 4A 驱动器的较高值电阻器,以实现相同的功率器件上升和下降时间。

栅极驱动电压

N沟低压驱动的MOSFET根据需要,在栅极施加2-5V电压可驱动,具体需要查询规格书,以及你可以接受的RDS来确定。
N沟较大功率的MOSFET通常需要施加10-15V的驱动电压,VGS以够用为宜,超过阈值以后,VGS的增加RDS减小并不明显,提高VGS意味着需要更大的驱动功率(驱动电流相同情况下)。
对于一些 MOSFET,栅极驱动电压超过 8V 至 10V 并不会进一步减小 MOSFET 电阻(RDS-ON)。 10V 栅极驱动电压时功耗相比12V栅极电压减小了16% (从 12V 减小至 10V),而得到的由栅极驱动的功耗减小了28%。进一步可以看到由于栅极电压减小,也降低了交越传导损耗。

AO3400参数

30V N沟MOSFET
ID (at VGS=10V) 5.7A
RDS(ON) (at VGS=10V) < 26.5mΩ
RDS(ON) (at VGS = 4.5V) < 32mΩ
RDS(ON) (at VGS = 2.5V) < 48mΩ

AO3400A栅极驱动电流计算

根据规格书,查询到表格和图中在VGS=4.5V, VDS=15V, ID=5.7A时Qg典型值为6nC,需要注意Qg是根据VDS和负载电流变化的。
设开关频率为100Khz,换算为0.1Mhz,这样计算结果为mA,则6nC0.1Mhz=0.6mA,峰值驱动电流则为0.650或100,为30-60mA,所以在频率不高的情况下,3400还是很容易驱动的,因为Qg较小。

AO3400A总栅极电荷Qg

 AO3400总栅极电荷

AO3400栅极电荷特性

AO3400栅极电荷特性

NCE7560K参数

这个MOSFET是国产的,参数优秀,RDS比AO3400还小。
N沟增强形MOSFET
VDS=75V;ID=60A@ VGS=10V;RDS(ON)<8.5mΩ @ VGS=10V

NCE7560K参数表

NCE7560K参数

NCE7560K栅极驱动电流计算

根据规格书,查询到表格和图中在VGS=10V, VDS=130V, ID=30A时Qg典型值为100nC,需要注意Qg是根据Vds和负载电流变化的
设开关频率为100Khz,换算为0.1Mhz,这样计算结果为mA,则100nC0.1Mhz=10mA,峰值驱动电流则为1050或100,为500-1000mA。
通过这2个例子,可以看出,栅极所需驱动电流计算还是简单的。

NCE7560K总栅极电荷

总栅极电荷典型值为100nC
NCE7560K总栅极电荷

NCE7560K栅极电荷特性

NCE7560K栅极电荷特性

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