1. 驱动 MOSFET
1.1. 栅极驱动和基极驱动
双极晶体管是电流驱动器件， MOS是电压驱动器件。要在集电极中产生电流，须在基极端子和发射极端子之间施加电流。在栅极端子和源极端子之间施加电压时，MOS 在漏极中产生电流。
1.2. MOSFET 的特点
MOSFET 有以下特点：
1)由于 MOSFET 是电压驱动器件， 因此无直流电流流入栅极。
2)要开通 MOSFET，必须对栅极施加高于额定栅极阈值电压 Vth 的电压。
3)处于稳态开启或关断状态时， MOSFET 栅极驱动基本无功耗。
4)通过驱动器输出看到的 MOSFET 栅源电容根据其内部状态而有所不同。
1.2.1. 栅极电荷
可将 MOSFET 的栅极视为电容。除非对栅极输入电容充电， 否则 MOSFET 的栅极电压不会增大，而且在栅极电压达到栅极阈值电压 Vth 之前， MOSFET 不会开通。
MOSFET 的栅极阈值电压 Vth 是在其源极和漏极区域之间产生传导通道所需的最小栅偏压。
考虑驱动电路和驱动电流时， MOSFET 的栅极电荷 Qg 比其电容更加重要。
1.2.2. 计算 MOSFET 栅极电荷
MOSFET 开启期间， 电流流到其栅极， 对栅源电容和栅漏电容充电。由于栅电流恒定， 可将时间乘以恒定栅电流 IG，以栅极电荷 Qg表示时间轴。（栅极电荷公式Qg ＝IG×t。）
1.2.3. 栅极充电机理
① 在 t0-t1 时间段内，栅极驱动电路通过栅极串联电阻器 R 对栅源电容 Cgs和栅漏电容 Cgd 充电，直到 栅极电压达到其阈值 Vth。
栅极电压 VGS计算如下：
VGS(t) ＝VG(1-exp(-t／(R(Cgs＋Cgd))) (1)
因此， 用 Vth 取代 VGS(t1)，栅极延迟时间 t1 结果如下：
t1 ＝R(Cgs＋Cgd) ln (VG／(VG-Vth))
说明延迟时间 t1 和 R(Cgs＋Cgd)成正比。
② 在 t1 －t2 期间， VGS 超过 Vth，导致漏极中产生电流，最终成为主电流。在此期间， 继续对 Cgs和 Cg 充电。栅极电压上升时， 漏极电流增大。在 t2 ，栅极电压达到米勒电压，在公式(1)中用 VGS(pl)代替 VGS(t2)，可计算出 VGS(pl) .t2 。在 t0-t1 期间， 延迟时间 t2 和 R(Cgs＋Cgd)成正比。
t2 ＝R(Cgs＋Cgd) ln (VG／(VG －VGS(pl)))
t2 －t1 ＝R(Cgs＋Cgd) ln ((VG －Vth)／(VG －VGS(pl)))
由于在此期间有漏极电流流过， MOSFET 会出现功率损耗。
③ 在 t2-t3 期间， VGS(pl)电压处的 VGS受米勒效应影响保持恒定。栅极电压保持恒定。在整个主栅电流流 过 MOSFET 时， 漏极电压在 t3 达到其导通电压（RDS(ON)×ID）。由于在此期间栅极电压保持恒定， 因此驱动电流流向 Cgd 而非 Cgs。在此期间 Cgd（Qdg）中积累的电荷数等于流向栅电路的电流与电压下降时间（t3 －t2 ）的乘积：
Qdg ＝(VG －VGS(pl))／RG ·(t3 －t2)
因此， t3 －t2 ＝QdgRG／(VG －VGS(pl))
④ 在 t3-t4 期间， 向栅极充电使其达到过饱和状态。对 Cgs和 Cgd 充电，直到栅极电压（VGS）达到栅极 供电电压。由于开通瞬态已经消失， 在此期间 MOSFET 不会出现开关损耗。
1.3. 栅极驱动功率
MOSFET 栅极驱动电路消耗的功率随着其频率而成比例地增大。
通过栅极电阻器 R1在 MOSFET 的栅极端子和源极端子之间施加了栅极冲电压 VG。假设 VGS从 0V 升高至 VG（图 1.9 为的 10V）。MOSFET 一开始处于关断状态，在 VGS从 0V 升高至 VG时开通。瞬态开关期间流过的栅电流：
iG ＝(VG －VGS)／RG
因此， 栅源电压计算为 VGS ＝VG －RG×iG。
通过对随时间变化的栅电流 iG求积分， 可以计算出栅极电荷 Qg。
Qg = ∫iGdt
开通期间， 栅极驱动源提供的能量 E 是：
E = ∫vG ×iGdt
其中， VG 是驱动供电电压。由于随时间变化的 VG和 IG 的积分是 Qgp，
E ＝VG×Qgp
Qg和 iG 的关系是：iG ＝dQg／dt。因此，开通期间在 MOSFET 栅极中积累的能量 EG 计算如下：
栅极电荷是 VGS在整个 Qg范围内（从 0 到 Qgp）的积分。从驱动电源供应的能量减去在栅极中积累的能量可以得出栅极电阻器消耗的能量。
关断期间， 在栅极中积累的能量就是栅极电阻器消耗的能量。
每个开关事件消耗的能量 E 等于驱动电路供应的能量。将 E 乘以开关频率 fsw ，可计算出栅极驱动电路 PG 的平均功耗：
PG ＝E×fSW ＝VG×QGP×fSW
2. MOSFET 栅极驱动电路示例
MOSFET 驱动电路的基本要求包括能够向栅极施加明显高于 Vth 的电压， 并有为输入电容完全充电的驱动能力。以N通道 MOS驱动电路示例。
2.1. 基本驱动电路
图 2.1 所示为 MOSFET 基本驱动电路。 设计驱动电路时必须考虑要驱动的 MOSFET 电容及其使用条件。
2.2. 逻辑驱动
由于负载开关的开通和关断时间可能慢至几秒，可使用小电流驱动 MOSFET 栅极。
2.3. 驱动电压转换
（1）驱动电压转换为 15 V
图 2.3 为通过数字逻辑驱动 MOSFET 的示例。当在 5V 无法驱动 MOSFET 时， 该电路可升高驱 动电压。和栅极电阻器 R3 串联连接的 R2增大了栅极驱动电阻，使其难以在饱和模式下驱动 MOSFET 。这样一来减慢了 MOSFET 的开关速度， 从而增大了开关损耗。相反， 如果减小R2，会使大漏极电流 ID在 MOSFET 关断期间流至驱动电路， 从而增大驱动电路的功耗。
（2）推挽电路
图 2.3 缺点在于增加数字逻辑的驱动电压会导致驱动电路的功耗增大。通过添加如图 2.4所示的推挽电路可解决这问题。MOSFET 的驱动电流不足时，也可以使用推挽电路。
2.4. 来自半桥或全桥的高位驱动
要开通高位 Q1的 N 通道 MOSFET，必须对其栅极端子施加高于源极端子的电压。由于 Q1源极电压与开通和关断低位 MOSFET Q2不同，因此 Q1和 Q2无法共用驱动电源的同一根接地线。
2.4.1. 使用高压器件和自举电路（如高压 IC）
开关频率受限， 取决于输出电容和电平转换器的损耗。
2.4.2. 脉冲变压器驱动（绝缘开关）
图 2.6 齐纳二极管的用途是快速复位脉冲变压器。图 2.7 电路有一个额外的 PNP 晶体管，可提升开关性能.
图 2.8 中所示的电路有一个与脉冲变压器串联的电容器，以便在关断期间向 MOSFET 施加反向偏压，从而提高开关速度。由于电容器阻断了 DC 偏压， 它还能防止脉冲变压器达到饱和点。
2.4.3. 使用光电耦合器和浮动电源
光隔离器件还用于 MOSFET 栅极驱动。应小心注意光电耦合器的速度和驱动能力。
3. MOSFET 驱动电路的电源
3.1. 变压器隔离电源
使用的 H 桥上下桥臂、三相逆变器或类似电路驱动 MOSFET 时， 必须将上下桥臂的电源彼此隔离。
通过下桥臂驱动的 MOSFET 可使用同一个电源。因此，H 桥需要三个电源，而三相桥需要四个电源。
3.2. 自举电路
可使用由二极管和电容器组成的自举电路代替浮动电源。通过逆变器或类似电路的上下桥臂驱动 MOSFET 时， 可在每个相中使用自举电容器 C（图 3.2 ） 代替浮动电源。一开始， 必须开通下桥臂 中的器件， 通过虚线突出显示的路径从下桥臂电源为电容器 C 充电。
3.3. 电荷泵
电荷泵由振荡电路、二极管和电容器组成。电荷泵的每个级可对电容器中存储的电压进行升压。通过上下桥臂驱动 MOSFET 时。与自举电路不同的是， 电荷泵对输出器件的占空比没有限制。
4. MOSFET 驱动电路的注意事项
4.1. 栅极电压 VGS条件的注意事项
MOSFET 在线性区中运行时，其导通电阻较低,因此对于开关应用， 可以在低 VDS 区中使用 MOSFET 来降低导通电阻。
1)当 MOSFET 的栅极电压 VGS超过其阈值电压 Vth 时（图 4.2 ）， MOSFET 开通。因此， VGS 必须明显高于 Vth。
2)VGS 越高RDS(ON)值就越低。
3)温度越高RDS(ON)值也就越高。
4)为了减少损耗， 必须增大 VGS从而最大限度减小器件在当前使用的电流水平下的电阻（图 4.4）。相反，高 VGS值会增大高频开关情况下驱动损耗对总损耗的比率。
4.2. 栅极电压、峰值电流和驱动损耗
由于 Qg = ∫dt，开关期间的平均栅极尖峰电流 iG(rush)表示为：
iG(rush) ＝Qg／tsw
驱动损耗可计算如下：
PG ＝E×fsw ＝VG×Qgp×fsw
增大栅极电压会降低 RDS(ON)，从而降低稳态损耗。但由于 Q ＝CV，因此增大栅极电压会增加 Qg ， 从而增大栅电流和驱动损耗。MOSFET 在轻负荷应用中以高频开关时，栅极驱动损耗会显著影响其总损耗。在设计驱动电路时应注意。
4.3. 栅极电阻器和开关特性
栅极电阻器的用途包括抑制尖峰电流并减少 输出振铃。
栅极上升时间 tg 和栅极电阻器值 RG 的关系如下：
Qg／tg ＝iG
RG ＝VG／iG
输出振铃的幅度和持续时间取决于杂散电感。
图 4.5 将栅极电阻器 R3 更改为 1、10 和 50Ω。减小栅极电阻器值会增大 MOSFET 的开关速度， 而代价是增大了振铃电压。相反， 增大栅极电阻器值会减小振铃电压， 同时降低 MOSFET 的开关速度， 从而增大其开关损耗。
