【導讀】本文用IR2130驅動模塊為核心，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。
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、動態范圍大、無二次擊穿現象和安全工作區域（SOA）寬等優點，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。
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）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；
3）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；
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。
3）MOSFET驅動器吸收靜態電流產生的功耗為：
PQ=（IQH×D+IQL（1-D））×VDD （2）
其中：IQH為驅動器輸入為高電平狀態的靜態電流；D為開關波形的占空比；IQL為驅動器輸入為低電平狀態的靜態電流。
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。
根據柵極電壓與柵極電容的乘積為柵極電荷Q則上式可轉化為T=Q/I.本設計中功率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，導通/截止時間為106 ns，可以得到峰值驅動電流為，驅動電壓為12 V，本設計驅動芯片采用IR公司的IR2130驅動模塊，該芯片可用來驅動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動電流為250mA，輸出驅動電壓為10~20V而反向峰值驅動電流為500 mA.它內部設計有過流、過壓及欠壓保護、封鎖和指示網絡，使用戶可方便的用來保護被驅動的MOS門功率管，加之內部自舉技術的巧妙運用使其可用于高壓系統，它還可對同一橋臂上下2個功率器件的門極驅動信號產生2μs互鎖延時時間。它自身工作和電源電壓的范圍較寬（3~20 V），在它的內部還設計有與被驅動的功率器件所通過的電流成線性關系的電流放大器，電路設計還保證了內部的3個通道的高壓側驅動器和低壓側驅動器可單獨使用，亦可只用其內部的3個低壓側驅動器，并且輸入信號與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動信號輸入端，低電平有效。CA-、CAO、VSO：內部放大器的反相端、輸出端和同相端，可對主電路的電流進行檢測。ITRIP：過流信號檢測輸入端，可通過輸入電流信號來完成過流或直通保護。FAULT：過流、直通短路、過壓、欠壓保護輸出端，該端提供一個故障保護的指示信號。它在芯片內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二極管為3個上橋臂功率管的驅動器提供內部懸浮電源，其中快速恢復二極管的作用是防止母線電壓倒流損壞器件，VS1~VS3是其對應的懸浮電源地端。HO1~HO3、LO1~LO3：逆變器上下橋臂功率開關器件驅動器信號輸出端。
在實際應用中，IR2130的設計也有一些不合理之處，在使用中應特別注意。
1）IR2130的故障輸出只有一個通道，在實際應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的故障輸出端因內部欠壓而動作，將此信號作為過電流信號去觸發前級保護電路時，如果前級保護電路具有自鎖功能，可能使電路無法起動。
2）由于IR2130采用了不隔離的驅動方式，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，嚴重時還會將IR2130前級電路擊穿。
3）由于IR2130的電流檢測輸入端直接與主電路連接，很容易引入干擾而使系統停機或出現異常，因此，電流檢測電阻應采用無感電阻。
4）當IR2130的輸入信號來自微處理器時必須采取隔離措施，由于IR2130具有高側驅動功能，因此可使用普通光耦，以降低成本。
