MOSFET 和 IGBT 柵極驅動器電路的基本原理

2021-03-01 德州儀器

MOSFET是金屬氧化物半導體場效應電晶體的首字母縮寫詞，它是電子行業高頻高效開關領域的關鍵組件。雙極電晶體和 MOSFET 電晶體的工作原理相同。從根本上說，這兩種電晶體都是電荷控制器件，這就意味著它們的輸出電流與控制電極在半導體中形成的電荷成比例。將這些器件用作開關時，都必須由能夠提供足夠灌入和拉出電流的低阻抗源來驅動，以實現控制電荷的快速嵌入和脫出。從這一點來看，在開關期間，MOSFET 必須以類似於雙極電晶體的形式進行「硬」驅動，以實現可媲美的開關速度。從理論上來說，雙極電晶體和 MOSFET 器件的開關速度幾乎相同，這取決於電荷載流子在半導體區域中傳輸所需的時間。功率器件的典型值大約為 20 至 200 皮秒，具體取決於器件大小。

MOSFET 技術在數字和功率應用領域的普及得益於它與雙極結電晶體相比所具有的兩個主要優勢：

1.MOSFET 器件在高頻開關應用中使用應用非常重要。

MOSFET 電晶體更加容易驅動，因為其控制電極與導電器件隔離，所以不需要連續的導通電流。一旦MOSFET 電晶體開通，它的驅動電流幾乎為零。而且，控制電荷大量減少，MOSFET 電晶體的存儲時間也相應大幅減少。這基本上消除了導通壓降和關斷時間之間的設計權衡問題，而開通狀態壓降與控制電荷成反比。因此，與雙極器件相比，MOSFET 技術預示著使用更簡單且更高效的驅動電路帶來顯著的經濟效益。

2.在電源應用中，MOSFET 具有電阻的性質。

MOSFET 漏源端上的壓降是流入半導體的電流的線性函數。此線性關係用 MOSFET 的RDS(on) 來表徵，也稱為導通電阻。導通電阻對指定柵源極電壓和器件溫度來說是恆定的。與 p-n 結 -2.2mV/°C 的溫度係數不同，MOSFET 的溫度係數為正值，約為 0.7%/°C 至 1%/°C。正因為 MOSFET 具有此正溫度係數，所以當使用單個器件不現實或不可能時，它便是高功率應用中 並行運行的理想之選。由於通道電阻具有正 TC，因此多個並聯 MOSFET會均勻地分配電流。在多個MOSFET 上會自動實現電流共享，因為正TC的作用相當於一種緩慢的負反饋系統。載流更大的器件會產生更多熱量——請別忘了漏源電壓是相等的——並且溫度升高會增加其 RDS(on) 值。增加電阻會導致電流減小，從而降低溫度。最終，當並聯器件所承載的電流大小相近時，便達到平衡狀態。RDS(on)  值和不同結至環境熱阻的初始容差可導致電流分布出現高達 30% 的重大誤差。

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