AMEYA360代理丨ROHM 实战篇：通过驱动器源极引脚改善开关损耗—传统的MOSFET驱动方法

发布时间：2026-10-27 14:10
作者：AMEYA360
来源：ROHM
阅读量：184

　　MOSFET和IGBT等功率开关器件被广泛应用于各种功率转换应用中。需要尽可能地降低MOSFET和IGBT等开关器件产生的开关损耗和传导损耗，但不同的应用其降低损耗的方法也不尽相同。

　　近年来，出现了一种可以改善损耗的方法，那就是带有驱动器源极引脚(所谓的开尔文源极引脚)的新封装。在“通过驱动器源极引脚改善开关损耗”系列文章中，将为您介绍功率开关产品封装具有驱动器源极引脚的效果以及使用注意事项。

　　传统的MOSFET驱动方法

　　MOSFET和IGBT等电源开关器件被广泛应用于各种电源应用和电源线路中。需要尽可能地降低这种开关器件产生的开关损耗和传导损耗，但不同的应用其降低损耗的方法也不尽相同。近年来，发现有一种方法可以改善MOSFET和IGBT等的开关损耗问题，那就是带有驱动器源极引脚(所谓的开尔文源极引脚)的新封装。在本文——“通过驱动器源极引脚改善开关损耗”中，将介绍功率开关产品具有驱动器源极引脚的效果以及使用注意事项。

　　传统的MOSFET驱动方法

　　为了便于对驱动器源极引脚进行说明，我们先来了解一下传统的MOSFET驱动方法。

　　MOSFET通常为电压驱动型，通过开/关栅极引脚的电压来控制开关工作。下面是传统TO-247N封装(3引脚)MOSFET的常见栅极驱动电路示例。

AMEYA360代理丨ROHM 实战篇：通过驱动器源极引脚改善开关损耗—传统的MOSFET驱动方法

　　驱动电源VG和MOSFET的栅极引脚Gate之间连接外置电阻RG_EXT，用来控制开关速度，但驱动电路中含有PCB版图的电感LTRACE和MOSFET源极引脚Source的封装电感LSOURCE，因此这个参数是需要好好考虑的重要项目。栅极引脚的封装电感包含在LTRACE中，而漏极引脚Drain的电感LDRAIN不包含在栅极驱动电路中，因此在这里省略。

　　由于该驱动电路的具体工作是很基本的而且是常见的，因此在此省略相应的介绍，但需要注意的是，由于流过漏极和源极间的漏极电流ID的变化，LSOURCE中会产生电动势VLSOURCE，这一点在以往的开关速度下很容易被忽略。下面是驱动电路的开关工作中的电压施加情况：

AMEYA360代理丨ROHM 实战篇：通过驱动器源极引脚改善开关损耗—传统的MOSFET驱动方法

　　MOSFET被施加VG并导通后，ID増加，LSOURCE沿图中(I)的方向产生VLSOURCE。另一方面，由于电流IG流入栅极引脚，因此在RG_EXT上会产生压降VRG_EXT(I)。这些电压包含在导通时的驱动电路网中，如公式(1)所示，它们使MOSFET的导通动作所需的芯片上的电压VGS_INT减少，最终导致导通速度下降。LTRACE也会产生电动势，但因其非常小而在此省略。

AMEYA360代理丨ROHM 实战篇：通过驱动器源极引脚改善开关损耗—传统的MOSFET驱动方法

　　关断时也是同样的原理，由于公式(1)中的IG和dID/dt为负，因此使RG_EXT和LSOURCE电压上升(II)，VSG_INT增加，导致关断速度下降。

　　一般来讲，电源开关元器件的LSOURCE为几nH到十几nH，加上当dID/dt达到几A/ns时可能会产生10V以上的VLSOURCE，这些将对MOSFET开关工作产生很大的影响。

　　驱动器源极引脚是通过消除VLSOURCE的影响来改善MOSFET开关速度的。

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　　本文将详细介绍SiC MOSFET在LS导通时的动作情况和LS关断时的动作情况。　　SiC MOSFET低边开关导通时的Gate-Source间电压的动作　　当SiC MOSFET的LS导通时，首先ID会变化(下述波形示意图T1)。此时LS的ID沿增加方向、HS的ID沿减少方向流动，受下述等效电路图中所示的事件(I)影响，在图中所示的极性产生公式(1)的电动势。公式(1)与上一篇文章中使用的公式相同。该电动势引起的电流将源极侧作为正极对CGS进行充电，因此在LS会将VGS向下推，在HS会将VGS向负极侧拉，使之产生负浪涌(波形示意图VGS的T1)。　　当ID的变化结束时，LS的VDS的电位降低(波形示意图T2)。所以，公式(2)中的电流就像等效电路图中的(II)-1、(II)-2那样流动，并且VGS会分别引发下列公式(3)、(4)中的电压上升。　　VDS刚刚开始变化后，公式(3)的VGS上升为主，随着时间的推移，公式(4)的VGS也开始上升。也就是说，MOSFET的CGD/CGS比、驱动电路的RG_EXT、栅极驱动信号图形布线的电感值LTRACE具有很大影响。　　如等效电路图所示，HS中的(II)-2的电流ICGD2处于VGS提升方向。因此，本来应该处于OFF状态的HS因VGS的提升而开始了导通工作。这种现象称为“误启动”。当HS发生误启动时，就会与LS的导通工作重叠，致使HS和LS的MOSFET同时导通，从而引发直通电流。　　ICGD2会持续流动到LS的导通工作结束，并被积蓄在LTRACE中，但会在VSW变化结束的时间点消失，LTRACE产生电动势。这就是事件(III)。受RG_EXT等开关条件影响，ICGD2可能会达到几安培，并且该电动势可能会增加。　　受上述事件(I)、(II)、(III)的影响，LS导通后的Gate-Source电压呈现出波形示意图中所示的动作。波形示意图和等效电路图的相同编号表示同一事件。另外，图中VGS的虚线波形表示理想的波形。　　外置栅极电阻的影响　　下面是SiC MOSFET桥式结构的LS导通时的双脉冲测试结果。(a)波形图的外置栅极电阻RG_EXT为0Ω，(b)为10Ω。图中的(I)、(II)、(III)同前面相应编号的事件。　　VDS刚刚开始变化后，公式(3)的VGS上升为主，随着时间的推移，公式(4)的VGS也开始上升。也就是说，MOSFET的CGD/CGS比、驱动电路的RG_EXT、栅极驱动信号图形布线的电感值LTRACE具有很大影响。　　如等效电路图所示，HS中的(II)-2的电流ICGD2处于VGS提升方向。因此，本来应该处于OFF状态的HS因VGS的提升而开始了导通工作。这种现象称为“误启动”。当HS发生误启动时，就会与LS的导通工作重叠，致使HS和LS的MOSFET同时导通，从而引发直通电流。　　ICGD2会持续流动到LS的导通工作结束，并被积蓄在LTRACE中，但会在VSW变化结束的时间点消失，LTRACE产生电动势。这就是事件(III)。受RG_EXT等开关条件影响，ICGD2可能会达到几安培，并且该电动势可能会增加。　　受上述事件(I)、(II)、(III)的影响，LS导通后的Gate-Source电压呈现出波形示意图中所示的动作。波形示意图和等效电路图的相同编号表示同一事件。另外，图中VGS的虚线波形表示理想的波形。　　外置栅极电阻的影响　　下面是SiC MOSFET桥式结构的LS导通时的双脉冲测试结果。(a)波形图的外置栅极电阻RG_EXT为0Ω，(b)为10Ω。图中的(I)、(II)、(III)同前面相应编号的事件。　　dVDS/dt带来的LS的VGS上升和HS的VGS负浪涌(波形示意图T4)是事件(IV)。　　波形示意图的T4周期结束时，公式(1)所示的ICGD1消失时发生的浪涌是事件(V)。公式(1)与之前使用的公式相同。　　然后，漏极电流发生变化(波形示意图T6)，并发生公式(2)所示的LSOURCE引起的电动势，电流如等效电路的事件(VI)中所示流动。公式(2)也与之前使用的公式相同。　　可以看出的动作是，由于该电流以源极侧为负极向MOSFET的CGS充电，因此在HS侧将VGS推高，在LS侧将VGS向正极侧拉升，以防止VGS下降。结果就产生了波形示意图所示的VGS动作。波形示意图中VGS的虚线表示理想的电压波形。　　外置栅极电阻的影响　　下面是SiC MOSFET桥式结构的LS关断时的双脉冲测试结果。(a)波形图的外置栅极电阻RG_EXT为0Ω时，(b)为10Ω。图中的(IV)、(V)、(VI)即前面提到的事件。　　如波形图所示，可以看到事件(V)的浪涌非常明显。　　尽管由VDS的变化引起的事件(IV)的影响很小，但由于HS中事件(IV)引起的负浪涌常常会超过额定值，在这种情况下，就需要对电路采取相应的措施。要想减少这种关断时的HS负浪涌，需要减小HS栅极电阻RG_EXT。然而，需要注意的是，在前文介绍过的常用栅极电阻调节电路中，事件(IV)在电阻值高的RG_ON侧较为突出。　　关于由事件(VI)引起的VGS抬升，由于该时刻正好在关断(Turn-off)结束之前，所以即使HS进入导通(Turn-on)动作，SiC MOSFET桥式结构的LS也已经被关断，几乎不会造成什么问题。
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