射极跟随器时的功率 MOSFET 的驱动

在现代电子电路设计中，功率 MOSFET 因其出色的特性，如高输入阻抗、低导通电阻、快速开关速度等，被广泛应用于各类功率转换和控制电路中，尤其是在高速开关电源等领域。而对于功率 MOSFET 的有效驱动是充分发挥其性能优势、确保电路稳定高效运行的关键环节。射极跟随器作为一种常见的电路结构，在功率 MOSFET 的驱动中有着独特的应用。

许多开关电源用控制 IC，如具有代表性的 TL494 等，其驱动输出发射极接地，支持射极跟随器的多种形式。在这类 IC 中，输出晶体管的集电极、发射极独立，管脚被合理分配排列，为射极跟随器的接入提供了便利条件，使得射极跟随器在功率 MOSFET 驱动中得到较为普遍的应用。

以晶体管射极跟随器驱动功率 MOSFET 门极的电路为例，从电路动作原理来看，当门极闭合时，由于射极跟随器的特性，能够快速地为 MOSFET 的栅极提供充电电流，使 MOSFET 迅速导通，因此门极闭合速度很快。然而，当门极需要打开(即 MOSFET 关断)时，情况则有所不同。此时，MOSFET 栅极的放电主要通过发射极电阻 RE 进行，而这种放电方式会导致门极打开的速度变慢，成为整个驱动过程中的低速环节。

通过实际的开关波形可以更直观地看到这种现象。当 RE = 1kΩ 时，开关波形显示关闭延迟非常大，在时间轴为 10μs/div 的情况下，延迟时间甚至达到 30μs，这样的延迟显然无法满足许多对开关速度有较高要求的应用场景，因此该参数下的电路不能使用。为了改善这种情况，尝试将 RE 的值变更为 100Ω，此时开关波形的关闭延迟有所缩短，大约缩短到了 3μs。虽然相较于 RE = 1kΩ 时的情况有了明显改善，但对于一些高速应用而言，仍然不能完全满足要求，还不能称之为理想的解决方案。

从 MOSFET 的输入特性深入分析，MOSFET 属于电压型驱动器件。对于 N 沟道的 MOSFET，当栅极对源极有一定的正向电压，且该电压大于其栅极阈值电压(Vth)时，MOSFET 的漏极到源极的电阻会急剧减小，从而实现导通;当栅极对源极的电压低于开启电压时，MOSFET 的漏极到源极的电阻则维持在一个很大的值，可近似认为不导通。在实际的射极跟随器驱动电路中，栅极的输入特性呈现为容性，这意味着驱动电路主要在 MOSFET 的开通和关断瞬间提供电流。当驱动电路的输出内阻为 0 时(理想情况)，串联在驱动输出到 MOSFET 栅极之间的栅极电阻 Rg 能够起到限流和控制开关速度的重要作用。

在栅极的充电过程中，具体表现为：在 MOSFET 导通之前，驱动电流首先给栅极 - 源极电容 QGS 充电，当 VGS 充电到 MOSFET 的开启电压 VGS (th) 时，MOSFET 开始导通。MOSFET 导通后，漏极电压开始下降，由于栅极 - 漏极结电容(即米勒电容 QGD)两端的电压不能突变，驱动电流的一部分会被分流用于给 QGD 结电容充电，这就导致 MOSFET 的导通速度变慢。当栅极电压充电到米勒平台电压(大约为 5.5V)时，驱动电流几乎全部用于给米勒电容 QGD 充电，直至 MOSFET 完全导通后，Vgs 才继续上升至驱动电压。

为了实现对功率 MOSFET 的高速驱动，除了考虑上述射极跟随器自身结构带来的影响外，还需要综合多方面因素对驱动电路进行优化设计。例如，在驱动电路的选择上，应尽量选用能够提供大输出电流的电路结构，推挽式的射极跟随器结构就是一个较好的选择，它能够为 MOSFET 的栅极提供足够的驱动能力，满足快速充放电的需求。同时，要尽可能缩短驱动波形的上升和下降时间，以实现 MOSFET 的快速开关。这就要求在电路参数的选择上，特别是栅极电阻 Rg 的值，需要进行精心的计算和调试。Rg 的值并非固定不变，而是需要根据 MOSFET 的栅极电荷 Qg、驱动芯片的峰值电流输出能力以及系统对电磁干扰(EMI)的要求等因素进行综合选取。

在一些高频、高速开关的应用场景中，经验上通常建议将单个 MOSFET 的栅极电阻 Rg 取值在 1Ω - 4.7Ω 之间;对于中等速度、追求较稳健设计的电路，Rg 可取值在 10Ω - 33Ω;当有多颗 MOSFET 并联且共用驱动时，每颗独立的 MOSFET 可加 10Ω - 47Ω 的栅极电阻。此外，还可以通过计算的方法来确定 Rg 的值，例如已知希望 MOSFET 的栅极电压 Vgs 在特定时间内变化，可使用公式 Rg = (Vdrive × tr) / Qg 进行计算，其中 Vdrive 为驱动电压，tr 为期望的上升时间，Qg 为栅极电荷。

在实际的功率 MOSFET 驱动电路设计中，还会涉及到许多其他方面的考虑。例如，为了防止驱动电路损坏开路后 MOSFET 出现误导通的情况，通常会在 MOSFET 的栅极和源极之间连接一个下拉电阻(泄放电阻)。特别是在驱动板和安装 MOSFET 的功率板分开设计时，泄放电阻最好放置在功率板上，这样可以有效避免在调试功率板时，因驱动板的移除而导致 MOSFET 被烧坏。另外，在一些对电气隔离有要求的场合，还需要采用隔离驱动电路，常见的有光耦隔离驱动和变压器隔离驱动等方式。

综上所述，射极跟随器在功率 MOSFET 的驱动中具有一定的应用价值，但在以高速驱动为目的的设计中，需要充分考虑其局限性，并通过合理选择电路参数、优化电路结构以及综合其他相关因素进行全面设计，才能实现对功率 MOSFET 的高效、稳定驱动，满足不同应用场景对功率 MOSFET 驱动性能的要求。