什么是 MOSFET 栅极驱动能力,我为什么要关心它?

电器工程 场效应管 司机 栅极驱动
2022-01-18 08:19:10

有人告诉我这个电路“栅极驱动能力差”:

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

这到底是什么意思呢?我用一个 LED 作为 M1 的负载对其进行了测试,微控制器能够很好地打开和关闭它。在什么情况下驱动能力差是一个问题?我该如何改进它?

2个回答

答案在最后,但是,如果你不熟悉 MOS 电容的概念,我会做一个快速回顾。

MOS电容:

MOSFET晶体管的栅极本质上是一个电容器。当您对该电容器施加任何电压时,它会通过累积电荷来响应:

在此处输入图像描述

积聚在栅电极上的电荷是无用的,但电极下的电荷形成了一个导电通道,允许电流在源极和漏极之间流动:

在此处输入图像描述

当存储在该电容器中的电荷变得明显时,晶体管就会导通。发生这种情况的栅极电压称为阈值电压(本质上是与此处相关的栅极到体电压,但让我们假设体被定义为零电位)。

您可能知道,通过电阻器为电容器充电需要时间(即使原理图中不包含电阻器,也总会存在一些电阻)。这个时间取决于电容器和电阻器的值:

在此处输入图像描述

将上述所有陈述结合在一起,我们得到:

  • 晶体管门是一个电容器,应通过电阻器充电以使晶体管“打开”
  • 栅极的输入电容越高,打开晶体管所需的时间就越长
  • 电压源和栅极之间的电阻越高,打开晶体管所需的时间就越长
  • 外部施加的电压越高,晶体管导通所需的时间就越短。

答案:

当人们说“栅极驱动能力差”时,他们的意思是给定配置中晶体管的开启和关闭时间太长。

“和什么相比太长了?” 你可能会问,这是最重要的问题。所需的开启/关闭时间取决于许多方面,我不想涉及这些方面。举个例子,考虑用具有 50% 占空比和 10ms 周期的周期性方波来驱动晶体管。您希望晶体管在信号的高相位期间打开,而在信号的低相位期间关闭。现在,如果给定配置中晶体管的导通时间为 10ms,很明显 5ms 的高相位信号根本不足以将其导通。给定的配置具有“较差的栅极驱动能力”。

当您使用晶体管打开 LED 时,您并没有使用高开关频率,对吧?在这种情况下,晶体管的开关时间并不重要——你只是想看看它最终会打开/关闭。

概括:

“栅极驱动能力”一般来说没有好坏之分,但它对您的应用程序是否足够好。取决于您想要达到的切换时间。

为了减少切换时间,您可以执行以下操作:

  • 减少对门的抵抗
  • 增加驱动电路的电压/电流额定值

关于门的电容,你无能为力——它是晶体管的内置特性。

希望这可以帮助

当要以相对较高的频率打开/关闭 MOSFET 时,就会出现问题。引入栅极的米勒电容 (Cgs) 起着重要作用,因此在高频下对该电容进行充电/放电需要将超过 1A 的电流注入栅极。

然而,在直流和静态操作下,驱动电路“看到”非常高的阻抗负载,可以轻松打开/关闭 MOSFET。只是为了测试和验证,在所示原理图中增加 GPIO 引脚的频率并观察 MOSFET 栅极上的波形。