率場效應晶體管由于具有諸多優(yōu)點而得到廣泛的應用；但它承受短時過載的能力較弱，使其應用受到一定的限制。分析了MOSFET器件驅動與保護電路的設計要求；計算了MOSFET驅動器的功耗及MOSFET驅動器與MOSFET的匹配；設計了基于IR2130驅動模塊的MOSFET驅動保護電路。該電路具有結構簡單，實用性強，響應速度快等特點。在驅動無刷直流電機的應用中證明，該電路驅動能力及保護功能效果良好。
功率場效應晶體管（Power MOSFET）是一種多數載流子導電的單極型電壓控制器件，具有開關速度快、高頻性能好、輸入阻抗高、噪聲小、驅動功率小、動態(tài)范圍大、無二次擊穿現象和安全工作區(qū)域（SOA）寬等優(yōu)點，因此，在高性能的開關電源、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。如何設計出可靠和合理的驅動與保護電路，對于充分發(fā)揮MOSFET功率管的優(yōu)點，起著至關重要的作用，也是有效利用MOSFET管的前提和關鍵。文中用IR2130驅動模塊為核心，設計了功率MOSFET驅動保護電路應用與無刷直流電機控制系統(tǒng)中，同時也闡述了本電路各個部分的設計要求。該設計使系統(tǒng)功率驅動部分的可靠性大大的提高。
1 功率MOSFET保護電路設計
功率場效應管自身擁有眾多優(yōu)點，但是MOSFET管具有較脆弱的承受短時過載能力，特別是在高頻的應用場合，所以在應用功率MOSFET對必須為其設計合理的保護電路來提高器件的可靠性。功率MOSFET保護電路主要有以下幾個方面：
1）防止柵極 di/dt過高：由于采用驅動芯片，其輸出阻抗較低，直接驅動功率管會引起驅動的功率管快速的開通和關斷，有可能造成功率管漏源極間的電壓震蕩，或者有可能造成功率管遭受過高的di/dt而引起誤導通。為避免上述現象的發(fā)生，通常在MOS驅動器的輸出與MOS管的柵極之間串聯一個電阻，電阻的大小一般選取幾十歐姆。
2）防止柵源極間過電壓 由于柵極與源極的阻抗很高，漏極與源極間的電壓突變會通過極間電容耦合到柵極而產生相當高的柵源尖峰電壓，此電壓會使很薄的柵源氧化層擊穿，同時柵極很容易積累電荷也會使柵源氧化層擊穿，所以要在MOS管柵極并聯穩(wěn)壓管以限制柵極電壓在穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值以下，保護MOS管不被擊穿，MOS管柵極并聯電阻是為了釋放柵極電荷，不讓電荷積累。
3）防護漏源極之間過電壓 雖然漏源擊穿電壓VDS一般都很大，但如果漏源極不加保護電路，同樣有可能因為器件開關瞬間電流的突變而產生漏極尖峰電壓，進而損壞MOS管，功率管開關速度越快，產生的過電壓也就越高。為了防止器件損壞，通常采用齊納二極管鉗位和RC緩沖電路等保護措施。
當電流過大或者發(fā)生短路時，功率MOSFET漏極與源極之間的電流會迅速增加并超過額定值，必須在過流極限值所規(guī)定的時間內關斷功率MOSFET,否則器件將被燒壞，因此在主回路增加電流采樣保護電路，當電流到達一定值，通過保護電路關閉驅動電路來保護MOSFET管。圖1是MOSFET管的保護電路，由此可以清楚的看出保護電路的功能。
2 功率MOSFET驅動電路的設計
功率場效應晶體管的柵極對驅動電路的要求主要有以下幾個方面：
1）產生的柵極驅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）開通時以低電阻對柵極電容充電，關斷時為柵極電荷提供低電阻放電回路，以提高功率MOSFET的開關速度；
3）為了使功率MOSFET可靠導通，柵極驅動脈沖應有足夠的幅度和寬度；
4）功率MOSFET開關時所需的驅動電流為柵極電容的充放電電流，為了使開關波形有足夠的上升下降陡度，驅動電流要大。
MOSFET驅動器在驅動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生的功耗為：
Pc=CG×F×V2DD （1）
其中：CG為MOSFET柵極電容；VDD為MOSFET驅動器電源電壓；F為開關頻率。
2）MOSFET驅動器吸收靜態(tài)電流產生的功耗為：
PQ=（IQH×D+IQL（1-D））×VDD （2）
其中：IQH為驅動器輸入為高電平狀態(tài)的靜態(tài)電流；D為開關波形的占空比；IQL為驅動器輸入為低電平狀態(tài)的靜態(tài)電流。
3）MOSFET驅動器交越導通電流產生的功耗為：
PS=CC×F×VDD （3）
其中：CC為交越常數。
從上述公式可以推導出，在3部分功耗中其中柵極電容充放電功耗在MOSFET驅動器功耗中占的比例最高，特別是在很低的開關頻率時。同時根據公式減小柵極驅動電壓可以顯著減少驅動器的功耗。
在應用中使MOS管驅動器與MOS管匹配主要是根據功率MOS管導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管柵極電容導通與截止的時間與MOS管驅動器的驅動電流的關系可以表示為：
T=（VxC）/I （4）
其中：T表示導通與截止時間，V表示MOS管柵極源極兩端的電壓，C表示柵極電容，I表示驅動器峰值驅動電流。
