摘要：
本文阐述了MOSFET驱动的基本要求以及在各种应用中如何优化驱动电路的设计
关键词： MOSFET 驱动， MOSFET 并联
1． 引言
随着电源高效，高功率密度的要求，电源的频率由原来的工频，到几十千赫兹，再到如今几百千赫兹甚至兆赫兹。电源频率的要求越来越高。如何选择合适的MOSFET, 如何有效的驱动高速的MOSFET，提升电源效率是广大工程师面临的问题。本文将探讨MOSFET的选型以及高速驱动线路的设计的注意事项。
2． MOSFET结构以及影响驱动的相关参数
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图1
图1是MOSFET的电容等效图。MOSFET包含3个等效结电容Cgd, Cgs和 Cds.
通常在MOSFET的规格书中我们可以看到以下参数
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其中 Ciss=Cgs+Cgd
Coss=Cgd+Cds
Crss=Cgd
这些结电容影响着MOSFET开通和关闭速度。结电容小的MOSFET具有快速的开关速度，可以降低MOSFET开通和关闭时所产生的损耗。同时对驱动线路需求更低。
但是值得注意的是这些电容跟普通的电容并不完全相同，普通电容的容值并不会有太大的改变，而MOSFET等效电容容值会随着MOSFET Vds的变化而变化。图2描述了MOSFET结电容随电压的变化状况。
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图2
由于Q=C*U*t
为了方便计算MOSFET所需的驱动功率以及开关损耗，规格书中通常会给出MOSFET 的Q值。
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图3中描述了MOSFET开通的过程以及不同的Qg值对MOSFET开通过程中的影响。 Qgs是Cgs的电荷量，Qgd是Cgd的电荷量，而 整个开通过程中电荷量的总和我们称之为Qg.
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图3
2.1 MOSFET导通时序介绍
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t1阶段
此阶段处于MOSFET死区时间。
MOSFET电压电流并无变化
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t2阶段
t2阶段MOSFET Vgs电压达到阀值并继续上升。此时MOSFET开始导通，电流从MOSFET漏极流向源极并在t2结束时到达最大值，而Vds此时保持不变。
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t3阶段
t3阶段MOSFET Vgs电压到达米勒平台并保持动态平衡。电流从MOSFET漏极流向源极并保持在最大值，Vds开始下降并最终到达最小值。
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t4阶段
t4阶段Vgs电压上升至最大值，电流从MOSFET漏极流向源极并保持在最大值，Vds同时保持在最小值，MOSFET进入饱和区，导通电阻降至最小。
以上是MOSFET导通的时序介绍，而MOSFET关闭的时序与之完全相反。
从MOSFET驱动时序来看，MOSFET Qg对MOSFET的开通与关闭速度起决定作用。对于MOSFET的驱动设计应当着手于选择Qg较小的MOSFET，这样不仅可以降低MOSFET开关损耗，同时可以降低对驱动电路峰值电流的需求。
3． 降低dv/dt,di/dt造成的震荡
门极震荡是MOSFET高速驱动一个常见问题，驱动的震荡直接影响到电源系统的损耗以及可靠性，通常MOSFET门极震荡包含两个回路如图4
图4中红色曲线是震荡回路1，其回路由MOSFET漏极寄生电感Ld（包括MOSFET封装电感以及PCB布线等效电感）, MOSFET结电容Cgd, MOSFET门极电感Lg（包括MOSFET封装电感以及PCB布线等效电感）, MOSFET内置门极驱动电阻Rgini, 以及装配，PCB布线耦合电容Cgdext 组成。
当MOSFET关闭时，Vds上升，红色回路的电感，电容会形成LC谐振，该谐振频率约在300MHz 至500MHz之间。此时外加的门极驱动电阻Rgext对于该回路的阻尼作用并不明显。而能够明显起到阻尼作用的只有MOSFET内置门极驱动电阻Rgini。尤其是对于高压MOSFET，由于dv/dt较低压MOSFET更高。
震荡回路2是由图4中蓝色曲线组成。其回路由MOSFET源极寄生电感（包括MOSFET封装电感以及PCB布线等效电感），MOSFET结电容Cgs, MOSFET门极电感Lg（包括MOSFET封装电感以及PCB布线等效电感）,MOSFET内置门极驱动电阻Rgini，MOSFET外置门极驱动电阻Rgext组成。
当MOSFET开通时，MOSFET电流上升，该回路的电感，电容同样会产生LC震荡，震荡频率通常在100MHz到200MHz左右，同时急剧变化的电流di/dt. 会在Ls上产生一个变化的电压。di/dt=VLs/Ls. 当假设di/dt=500A/us, Ls=10nH时，根据公式在漏极电感Ls上产生的电压VLs=di/dt*Ls=500A/us*10nH=5V. 一旦门极震荡电压在阀值范围内，MOSFET会不断重复开关，造成极大的开关损耗甚至会影响到MOSFET的可靠性。
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图4
综上，对于驱动线路设计中如何降低di/dt,dv/dt减小震荡，我们有以下几点考虑：
1． 减小PCB布线所带来等效寄生电感。
2． 选择合适的带内置门极驱动电阻的MOSFET如Infineon CoolMOS C6系列。
3． 选择无引线的封装MOSFET，降低由封装所产生的寄生电阻和电感。
4． 选择合适的门极驱动电阻从而抑制MOSFET的门极驱动震荡。
图5中是Infineon的600V高压MOSFET ThinPAK封装。这种封装不仅具有小的封装寄生参数，同时可以缩短PCB布线的长度。此外该封装门极地线与驱动信号地线分属于不同的管脚，可以有效的降低门极驱动震荡。
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图5
4． MOSFET并联
由于功率或者效率的原因，单个MOSFET在某些应用场合并不能完全满足要求，此时需要两个或多个MOSFET进行并联。我们下面来简单分析MOSFET并联会面临那些问题。
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图6
图6是当两个MOSFET并联时的等效电路， 当MOSFET开关时，很容易在图6红色区域形成自激震荡，该震荡回路由MOSFET寄生参数和驱动电路中Rg1ext, Lg1, Rg1 ini, Cgd1, Ld1, 和Rg2ext, Lg2, Rg2 ini, Cgd2, Ld2共同组成。
由于震荡， 并联MOSFET的门极驱动电压并不能保持一致，门极电压高于Vgsth的MOSFET仍然开通，门极电压低于Vgsth的MOSFET关闭，使得各MOSFET之间并不能完全均流。同时， 由于受该震荡回路的影响， 电磁干扰，门极击穿同样是工程师面临问题。
而有效的控制MOSFET并联时的自激震荡我们需要注意以下几点：
1． 保持各个MOSFET布线一直性。
2． MOSFET具有独立的驱动电路，至少具备独立的驱动电阻。
3． 合适的驱动电阻可以阻尼震荡， 门极上磁珠同样也可以抑制高频干扰。
图7是MOSFET并联时的仿真电路，其初始设置为Rg=10Ohm, Vgsth=3V, MOSFET之间的布线电感L9=0nH.
下面我们通过修改该仿真线路中影响MOSFET均流的参数来比较其各自对MOSFET并联时所产生的影响。
1． 设置门极驱动电阻
2． 设置MOSFET阀值电压Vgsth
3． 设置PCB布线电感
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图7
设置1，如图8
将其中一MOSFET门极驱动电阻R3设置为12Ohm,另一MOSFET门极驱动电阻R2保持10Ohm不变。
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图8
如图7右所示，当门极驱动电阻相差2Ohm时，流过两个MOSFET的电流相差并不十分明显。
设置2，如图9
将其中一MOSFET DUT1门极阀值电压设置为3.4V,另一MOSFET DUT2门极阀值电压保持3V不变。
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图9
如图9右所示，当门极驱动电压相差0.4V时，流过两个MOSFET的电流相差也并不十分明显。
设置3，如图10
将其中一MOSFET DUT1门极阀值电压设置为4V,另一MOSFET DUT2门极阀值电压设置为2V。
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图10
如图10右所示，当门极驱动电压相差2V时，分别通过两个MOSFET的电流相差近40%
当情形为多个MOSFET并联时，其中个别MOSFET将会出现过流，过温现象。
设置4，如图11
将两个MOSFET之间的布线电感设置为10nH。
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图11
如图11右所示，当门极驱动电压相差2V时，通过两个MOSFET的电流相差近100%
如果MOSFET选型中没有留有足够的电流裕量，在此状况下极有可能出现失效。
综合以上的模拟测试，我们不难得出，PCB布线对于MOSFET并联影响最大，其次是MOSFET门极阀值电压，再次是门极驱动电阻。
因此对于MOSFET并联的驱动设计，我们应该将重点放在PCB的 布线当中。
首先需要注意的事PCB的布线一致性，尽可能使并联中的MOSFET布线保持对称，同时减少MOSFET地线之间连接的距离，从而减小寄生电感值，连接注意单点接地；
其次选择阀值电压最小值与最大值相差较小的 MOSFET；
再次保证门极驱动电阻的误差在5%的范围以内。
5． 避免MOSFET进入线性放大区
MOSFET驱动的最小电流：
Imin=Vgs/Rg
而驱动电路的平均损耗：
Ploss=Qg*Vgs*f
在设计驱动电路时，峰值电流以及驱动平均损耗需要尽量高于最低值，避免MOSFET长时间工作在线性放大区。图12是MOSFET的I/V特性曲线，MOSFET工作在线性放大区时非完全导，通Vds之间出现高阻抗。MOSFET具有很高的损耗,其损耗计算如下：
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图12
图13是MOSFET处于线性放大区长达500uS的波形。如果某些应用需要MOSFET进入放大区，我们必须确定MOSFET处于安全工作区SOA的限制以内。
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图13
6． 结论
MOSFET的驱动设计，我们需要考虑以下几个方面：
1． 选择合适的MOSFET。Qg小的MOSFET可以达到快速的开关速度，同时减小对驱动的要求。 Vgsth最小值和最大值窗口小的MOSFET可以达到较好的并联效果
2． 选择合适的封装。无引线封装具有更小的封装电阻和封装电感，更加适合高频的驱动设计。同时可以有效的减小驱动震荡，降低开关损耗，提高系统的可靠性。
3． PCB布线是MOSFET的驱动设计的关键。它影响MOSFET的损耗，震荡，以及MOSFET均流效果。
4． 保证足够驱动的功率和峰值电流，避免MOSFET长期工作在线性放大区。一旦进入放大区，需要确认MOSFET是否工作在SOA范围之内。
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