MOSFET栅极驱动器充放电中的能量转换过程

来源：纳芯微电子

在MOSFET开关中，栅极驱动器(Gate Driver)承担着为其充电与放电的关键任务，而这背后的能量转换过程，直接影响驱动系统的效率与热设计。传统功率损耗公式虽广泛使用，但在某些应用场景中存在物理理解上的偏差。本文将以多个典型充放电模型为切入点，重新剖析驱动电路中能量的真实流向，并进一步探讨寄生电感对系统能量守恒的影响，为工程师提供更精确的能量估算依据与器件选型参考。

01常用的驱动电路功率损耗计算公式

图1 驱动器对MOS充电

图2 驱动器对MOS放电

对于功率损耗的计算，计算公式如下：

......(1)

......(2)

QG充电终止时，栅极总电荷

fDRV栅极驱动频率

VDRV驱动电压

QG*fDRV物理意义是平均充电电流

VDRV*QG*fDRV物理意义是电源供给的平均功率

PON和POFF的公式把这部分功率一分为二，一半消耗在电阻上，一半存储在电容中，放电时电容中的能量再通过电阻消耗掉。

显然(1)和(2)成立的条件是——充电过程中，电阻上消耗的能量等于电容上存储的能量。但此假设一定成立吗？很明显电阻等于0的时候不成立。那么电阻不等于0的时候呢？

02恒压源对MOS的充电

MOS充电波形示意如图3，I-V曲线如图4：

图3

图4

阶段(1)

MOS在截止区，电容：

CGATE= CGS+CGD

阶段(2)

MOS在饱和区，电容：

CGATE=CGS+CGD*(1+gm*RLOAD)

阶段(3)

MOS在饱和区，电容：

CGATE=CGD*(1+ gm*RLOAD)

阶段(4)

MOS在线性电阻区，电容：

CGATE=CGS+CGD

CGS和CGD可以在纳芯微MOS datasheet中查到，CISS= CGS+CGD，CRSS= CGD

MOS在饱和区由于米勒效应，CGD会被放大(1+AV/V)倍，其中AV/V代表MOS饱和区的放大倍数。

CGD随着电压的变化而变化，对于大多数MOS，有如下近似公式：

…… (3)

阶段(1)(2)(4) CISS=近似为CGS和CGD_AVG并联。阶段(3)，VGS基本保持不变，CGS不起作用，驱动对CGD恒流充电。

a.如图3区域(3)恒流充电时的功耗

…… (4)

…… (5)

当满足以下条件时，电阻耗能等于电容储能。

当VDRV＞2Vmiller时，电阻耗能大于电容储能。

电源输出的能量

ES=VDRV*IG*t=CGD*VDRV*VDS_off=ER+EC

…… (6)

b.如图3区域(1)(2)(4)合成一段，RC充电阶段

令CG=CGS+CGD_AVC；充电终止CG电压Uo=k*UDRV；充电持续时间为T；充电电流为IG

…… (7)

…… (8)

电容储能总小于电阻功耗，电容越接近充满，两者越接近相等。

电源输出能量

…… (9)

03电容对MOS的充电

实际电路中，驱动芯片给MOS充电时，充电电流大部分都是由电容提供，因此可以近似认为驱动电路是电容给电容充电的模型。

a.如图3区域(3)恒流充电时的功耗

电阻耗能

电容储能

电源电容输出的能量

对比恒压源对电容充电公式，VDRV变为VDRV_AVC，因为电源电容电压在下跌，因此取充电过程的平均值。

b.如图3区域(1)(2)(4)合成一段，RC充电阶段

设电源电容CIN初始电压为UDRV，实时电压为UIN；门极电容CG=CGS+CGD_AVG；充电终止CG电压Uo=k*UDRV；充电持续时间为T; 充电电流为IG。如图5，根据s域模型求解电压和电流：

图5

令

求拉普拉斯逆变换

电容储能

…… (10)

电阻耗能

…… (11)

电源电容输出的能量

…… (12)

当

时，

电容储能大于电阻耗能。

当

时，

电阻耗能大于电容储能。

…… (13)

令

…… (14)

设充电终止时，两个电容电压相等，根据电荷守恒：

，解得

代入式(14)

…… (15)

由式(15)可知，电源电容输出的能量大于电阻耗能+电容储能。

即CG=CIN时，分母达到最小值，电容值相差越大，损失能量越小。

04MOS的放电

设电容初始电压UG，终止电压Uo=kUG，放电持续时间为T

电容剩余储能

电阻耗能

电容初始储能

因此放电过程中，电容释放的能量完全消耗在电阻上。

05寄生电感的作用

充电回路相当于一匝的线圈，形成寄生电感，图6的模型更接近实际电路。

图6

在如图3区域(3)，近似恒流充电，电感的作用忽略，因此不作分析。

设电源电容CIN初始电压为UDRV，时刻电压为UIN；门极电容：CG=CGS+CGD_AVG；充电终止CG电压Uo=k*UDRV；充电持续时间为T；充电电流为IG；计生电感L。

由于IG和Uo的时域公式非常复杂，T的表达式无法求出，也无法通过公式计算电阻的耗能。因为电阻的影响只是消耗一部分能量，把这部分能量降为0，也就是令电阻等于0，电路中只有L和C，以简化分析。

求拉普拉斯逆变换：

任意时刻电感储能

…… (16)

任意时刻MOS电容储能

…… (17)

任意时刻电源电容储能

…… (18)

初始时刻电源电容储能

…… (19)

由式 (19)可知电能守恒，没有额外的能量损失。当然，交变的电磁场，还是会辐射能量，但因为电感的存在，抑制了电流的变化率。

结论与建议

通过对不同充电模型下电阻损耗、电容储能、电源能量输出之间关系的定量分析，本文指出传统“电源能量一分为二”的假设并非总是成立。特别是在驱动电压高于2倍米勒电平时，栅极电阻的能量损耗常常大于电容储能；而在电容对电容充电的模型中，能量分布又呈现出不同特性。此外，MOS关断时所有储能都通过电阻耗散，而寄生电感则在一定程度上抑制了能量损失。理解这些能量路径对精确设计高效Gate Driver系统至关重要，尤其在追求高频、高密度、高可靠性的电源应用中更显价值。

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