驱动不足、驱动过度或根本没有驱动的栅极

标签: 栅极驱动

现象

开关级比其损耗预算预测的更热；或者 eGaN 晶体管在栅极振铃超过其最大栅源电压后损坏；或者在控制器启动或复位期间开关管短暂导通，产生电流尖峰，在半桥中则发生直通（shoot-through）。

原因

栅极电压的窗口（window）由三方面决定：

• 驱动不足。MOSFET 只有在按其设计所用的栅极电压驱动时才完全导通，栅极电压更高时，导通电阻（on-resistance）还会进一步降低：逻辑电平（logic-level）MOSFET 按 5 V 驱动设计，标准电平 MOSFET 至少需要 10 V [Nexperia 2025]。驱动电压仅略高于阈值电压（threshold）时，开关管只是部分导通，其电阻和损耗都高于数据手册给出的导通电阻所对应的值。
• 驱动过度。与硅 MOSFET 相比，eGaN FET 允许的最大栅源电压较低 [Efficient Power Conversion (EPC), eGaN FET Drivers and Layout Considerations]，而栅极回路电感引起的振铃会叠加在驱动电压上（栅极驱动），因此驱动电压与振铃之和必须低于该最大值。
• 没有驱动。驱动器未上电时，没有任何东西驱动栅极，其电压不确定。千欧级的栅源电阻可在栅极驱动出现故障或未加电源时使 MOSFET 保持关断 [Nexperia 2025]。已上电的驱动器若在控制器启动期间输入悬空，就确实会驱动栅极，驱动到其悬空输入所读到的任意电平，而栅极上的电阻无法使其保持关断。

如何确认

用很短的接地连接（探头）在晶体管自身的引脚上测量栅源电压，测量时段包括开关边沿，以及控制器上电和复位期间。源极不处于示波器保护接地电位的开关管，例如高侧开关管或离线式变换器一次侧的任何开关管，需要使用差分探头（differential probe）：探头的接地线与示波器的保护接地相连（栅极驱动）。将栅极的高电平与晶体管数据手册给出导通电阻时所用的驱动电压比较，将其峰值与栅极的最大电压比较，并检查控制器尚未运行时是否有脉冲。

解决方法

用数据手册给出导通电阻时所用的电压驱动栅极，并选用这样的驱动器：其欠压锁定（undervoltage lockout）能在电源电压跌落到开关管只能部分导通之前使其停止工作。缩短栅极回路，使振铃远低于最大值。针对驱动器未上电的情况，在栅极与源极之间接一个电阻 [Nexperia 2025]；针对驱动器已上电的情况，把其输入保持在使输出为低的电平（同相输入端接下拉电阻），除非驱动器的数据手册说明其输入本身就能做到这一点。开关边沿处的栅极电流在栅极驱动中有详细计算（开通时的栅极电流）。

参考资料

• [Nexperia 2025]：MOSFET 完全导通所需的栅极电压，以及在没有驱动时使其保持关断的栅源电阻。
• [Efficient Power Conversion (EPC), eGaN FET Drivers and Layout Considerations]：eGaN FET 较低的最大栅源电压。
• 栅极驱动和探头与测量带宽。