功率場效應(yīng)晶體管（Power MOSFET）是一種多數(shù)載流子導(dǎo)電的單極型電壓控制器件，具有開關(guān)速度快、高頻性能好、輸入阻抗高、噪聲小、驅(qū)動功率小、動態(tài)范圍大、無二次擊穿現(xiàn)象和安全工作區(qū)域（SOA）寬等優(yōu)點，因此，在高性能的開關(guān)電源、斬波電源及電機控制的各種交流變頻電源中獲得越來越多的應(yīng)用。但相比于絕緣柵雙極型晶體管IGBT或大功率雙極型晶體管GTR等，MOSFET管具有較弱的承受短時過載能力，因而其實際使用受到一定的限制。

功率MOSFET驅(qū)動電路的設(shè)計

功率場效應(yīng)晶體管的柵極對驅(qū)動電路的要求主要有以下幾個方面：

1）產(chǎn)生的柵極驅(qū)動脈沖必須具有足夠的上升和下降速度，脈沖的前后沿要陡峭：

2）為了使功率MOSFET可靠導(dǎo)通，柵極驅(qū)動脈沖應(yīng)有足夠的幅度和寬度；

3）開通時以低電阻對柵極電容充電，關(guān)斷時為柵極電荷提供低電阻放電回路，以提高功率MOSFET的開關(guān)速度；

4）功率MOSFET開關(guān)時所需的驅(qū)動電流為柵極電容的充放電電流，為了使開關(guān)波形有足夠的上升下降陡度，驅(qū)動電流要大。

MOSFET驅(qū)動器在驅(qū)動MOSFET功率管的功耗主要包括3個方面：

1）MOSFET柵極電容的充電放電產(chǎn)生的功耗為：

Pc=CG×F×V2DD （1）

其中：CG為MOSFET柵極電容；VDD為MOSFET驅(qū)動器電源電壓；F為開關(guān)頻率。

2）MOSFET驅(qū)動器交越導(dǎo)通電流產(chǎn)生的功耗為：

PS=CC×F×VDD （3）

其中：CC為交越常數(shù)。

3）MOSFET驅(qū)動器吸收靜態(tài)電流產(chǎn)生的功耗為：

PQ=（IQH×D+IQL（1-D））×VDD （2）

其中：IQH為驅(qū)動器輸入為高電平狀態(tài)的靜態(tài)電流；D為開關(guān)波形的占空比；IQL為驅(qū)動器輸入為低電平狀態(tài)的靜態(tài)電流。

從上述公式可以推導(dǎo)出，在3部分功耗中其中柵極電容充放電功耗在MOSFET驅(qū)動器功耗中占的比例最高，特別是在很低的開關(guān)頻率時。同時根據(jù)公式減小柵極驅(qū)動電壓可以顯著減少驅(qū)動器的功耗。

在應(yīng)用中使MOS管驅(qū)動器與MOS管匹配主要是根據(jù)功率MOS管導(dǎo)通和截止的速度快慢即柵極電壓的上升和下降時間，也即是MOS管柵極電容的充放電速度。MOS管柵極電容導(dǎo)通與截止的時間與MOS管驅(qū)動器的驅(qū)動電流的關(guān)系可以表示為：

T=（VxC）/I （4）

其中：T表示導(dǎo)通與截止時間，V表示MOS管柵極源極兩端的電壓，C表示柵極電容，I表示驅(qū)動器峰值驅(qū)動電流。

根據(jù)柵極電壓與柵極電容的乘積為柵極電荷Q則上式可轉(zhuǎn)化為T=Q/I.本設(shè)計中功率MOSFET采用IR公司的IRF3710S功率MOSFET芯片，從其datasheet可以得到MOSFET的柵極電荷為26 nC，導(dǎo)通/截止時間為106 ns，可以得到峰值驅(qū)動電流為，驅(qū)動電壓為12 V，本設(shè)計驅(qū)動芯片采用IR公司的IR2130驅(qū)動模塊，該芯片可用來驅(qū)動工作在母電壓不高于600 V的電路中的功率MOS門器件，其可輸出的最大正向峰值驅(qū)動電流為250mA，輸出驅(qū)動電壓為10~20V而反向峰值驅(qū)動電流為500 mA.它內(nèi)部設(shè)計有過流、過壓及欠壓保護(hù)、封鎖和指示網(wǎng)絡(luò)，使用戶可方便的用來保護(hù)被驅(qū)動的MOS門功率管，加之內(nèi)部自舉技術(shù)的巧妙運用使其可用于高壓系統(tǒng)，它還可對同一橋臂上下2個功率器件的門極驅(qū)動信號產(chǎn)生2μs互鎖延時時間。它自身工作和電源電壓的范圍較寬（3~20 V），在它的內(nèi)部還設(shè)計有與被驅(qū)動的功率器件所通過的電流成線性關(guān)系的電流放大器，電路設(shè)計還保證了內(nèi)部的3個通道的高壓側(cè)驅(qū)動器和低壓側(cè)驅(qū)動器可單獨使用，亦可只用其內(nèi)部的3個低壓側(cè)驅(qū)動器，并且輸入信號與TTL及COMS電平兼容。IR2130管腳如圖1所示。

圖1：IR2130管腳

圖1中HIN1~HIN3、LIN1~LIN3：逆變器上橋臂和下橋臂功率管的驅(qū)動信號輸入端，低電平有效。CA-、CAO、VSO：內(nèi)部放大器的反相端、輸出端和同相端，可對主電路的電流進(jìn)行檢測。ITRIP：過流信號檢測輸入端，可通過輸入電流信號來完成過流或直通保護(hù)。FAULT：過流、直通短路、過壓、欠壓保護(hù)輸出端，該端提供一個故障保護(hù)的指示信號。它在芯片內(nèi)部是漏極開路輸出端，低電平有效。VB1~VB3：是懸浮電源連接端，通過自舉電容和快速恢復(fù)二極管為3個上橋臂功率管的驅(qū)動器提供內(nèi)部懸浮電源，其中快速恢復(fù)二極管的作用是防止母線電壓倒流損壞器件，VS1~VS3是其對應(yīng)的懸浮電源地端。HO1~HO3、LO1~LO3：逆變器上下橋臂功率開關(guān)器件驅(qū)動器信號輸出端。

在實際應(yīng)用中，IR2130的設(shè)計也有一些不合理之處，在使用中應(yīng)特別注意。

1）IR2130的故障輸出只有一個通道，在實際應(yīng)用中很難判斷是過流還是欠壓故障，特別是在上電過程中，控制電源必然從0上升至某值，在此過程中，IR2130的故障輸出端因內(nèi)部欠壓而動作，將此信號作為過電流信號去觸發(fā)前級保護(hù)電路時，如果前級保護(hù)電路具有自鎖功能，可能使電路無法起動。

2）由于IR2130采用了不隔離的驅(qū)動方式，若主電路功率器件損壞，高壓將直接串入IR2130，引起IR2130永久性損壞，嚴(yán)重時還會將IR2130前級電路擊穿。

3）由于IR2130的電流檢測輸入端直接與主電路連接，很容易引入干擾而使系統(tǒng)停機或出現(xiàn)異常，因此，電流檢測電阻應(yīng)采用無感電阻。

4）當(dāng)IR2130的輸入信號來自微處理器時必須采取隔離措施，由于IR2130具有高側(cè)驅(qū)動功能，因此可使用普通光耦，以降低成本。