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(dòng)功率小、動(dòng)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(diǎn)，因此，在高性能的開關(guān)電源、斬波電源及電機(jī)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(shí)過載能力，因而其實(shí)際使用受到一定的限制。
功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
功率場效應(yīng)晶體管的柵極對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求主要有以下幾個(gè)方面：
1）產(chǎn)生的柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)脈沖應(yīng)有足夠的幅度和寬度；
3）開通時(shí)以低電阻對(duì)柵極電容充電，關(guān)斷時(shí)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(shí)所需的驅(qū)動(dòng)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(dòng)電流要大。
MOSFET驅(qū)動(dòng)器在驅(qū)動(dòng)MOSFET功率管的功耗主要包括3個(gè)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(dòng)器電源電壓；F為開關(guān)頻率。
2）MOSFET驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)器功耗中占的比例最高，特別是在很低的開關(guān)頻率時(shí)。同時(shí)根據(jù)公式減小柵極驅(qū)動(dòng)電壓可以顯著減少驅(qū)動(dòng)器的功耗。
在應(yīng)用中使MOS管驅(qū)動(dòng)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(shí)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(shí)間與MOS管驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)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(shí)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(dòng)器峰值驅(qū)動(dòng)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(jì)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(shí)間為106 ns，可以得到峰值驅(qū)動(dòng)電流為，驅(qū)動(dòng)電壓為12 V，本設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)芯片采用IR公司的IR2130驅(qū)動(dòng)模塊，該芯片可用來驅(qū)動(dòng)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(dòng)電流為250mA，輸出驅(qū)動(dòng)電壓為10~20V而反向峰值驅(qū)動(dòng)電流為500 mA.它內(nèi)部設(shè)計(jì)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(dòng)的MOS門功率管，加之內(nèi)部自舉技術(shù)的巧妙運(yùn)用使其可用于高壓系統(tǒng)，它還可對(duì)同一橋臂上下2個(gè)功率器件的門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生2μs互鎖延時(shí)時(shí)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(jì)有與被驅(qū)動(dòng)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(jì)還保證了內(nèi)部的3個(gè)通道的高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器和低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器可單獨(dú)使用，亦可只用其內(nèi)部的3個(gè)低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器，并且輸入信號(hào)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(dòng)信號(hào)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(duì)主電路的電流進(jìn)行檢測(cè)。ITRIP：過流信號(hào)檢測(cè)輸入端，可通過輸入電流信號(hào)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(gè)故障保護(hù)的指示信號(hào)。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(gè)上橋臂功率管的驅(qū)動(dòng)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(duì)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(dòng)器信號(hào)輸出端。
在實(shí)際應(yīng)用中，IR2130的設(shè)計(jì)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(gè)通道，在實(shí)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(dòng)作，將此信號(hào)作為過電流信號(hào)去觸發(fā)前級(jí)保護(hù)電路時(shí)，如果前級(jí)保護(hù)電路具有自鎖功能，可能使電路無法起動(dòng)。
2）由于IR2130采用了不隔離的驅(qū)動(dòng)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(shí)還會(huì)將IR2130前級(jí)電路擊穿。
3）由于IR2130的電流檢測(cè)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(jī)或出現(xiàn)異常，因此，電流檢測(cè)電阻應(yīng)采用無感電阻。
4）當(dāng)IR2130的輸入信號(hào)來自微處理器時(shí)必須采取隔離措施，由于IR2130具有高側(cè)驅(qū)動(dòng)功能，因此可使用普通光耦，以降低成本。
