熱門關(guān)鍵詞：NI 安捷倫愛特梅爾 Cortex-M0 機(jī)器視覺

詳解MOSFET的驅(qū)動技術(shù)及應(yīng)用

發(fā)布時間：2012-2-25 09:41 發(fā)布者：1770309616

詳解MOSFET的驅(qū)動技術(shù)及應(yīng)用.pdf (822.88 KB)

　　MOSFET作為功率開關(guān)管，已經(jīng)是是開關(guān)電源領(lǐng)域的絕對主力器件。雖然MOSFET作為電壓型驅(qū)動器件，其驅(qū)動表面上看來是非常簡單，但是詳細(xì)分析起來并不簡單。下面我會花一點(diǎn)時間，一點(diǎn)點(diǎn)來解析MOSFET的驅(qū)動技術(shù)，以及在不同的應(yīng)用，應(yīng)該采用什么樣的驅(qū)動電路。
　　首先，來做一個實(shí)驗(yàn)，把一個MOSFET的G懸空，然后在DS上加電壓，那么會出現(xiàn)什么情況呢？很多工程師都知道，MOS會導(dǎo)通甚至擊穿。這是為什么呢？因?yàn)槲腋緵]有加驅(qū)動電壓，MOS怎么會導(dǎo)通？用下面的圖，來做個仿真：

　　去探測G極的電壓，發(fā)現(xiàn)電壓波形如下：

　　G極的電壓居然有4V多，難怪MOSFET會導(dǎo)通，這是因?yàn)镸OSFET的寄生參數(shù)在搗鬼。
　　這種情況有什么危害呢？實(shí)際情況下，MOS肯定有驅(qū)動電路的么，要么導(dǎo)通，要么關(guān)掉。問題就出在開機(jī)，或者關(guān)機(jī)的時候，最主要是開機(jī)的時候，此時你的驅(qū)動電路還沒上電。但是輸入上電了，由于驅(qū)動電路沒有工作，G級的電荷無法被釋放，就容易導(dǎo)致MOS導(dǎo)通擊穿。那么怎么解決呢？
　　在GS之間并一個電阻.

　　那么仿真的結(jié)果呢：
幾乎為0V.

　　什么叫驅(qū)動能力，很多PWM芯片，或者專門的驅(qū)動芯片都會說驅(qū)動能力，比如384X的驅(qū)動能力為1A，其含義是什么呢？
　　假如驅(qū)動是個理想脈沖源，那么其驅(qū)動能力就是無窮大，想提供多大電流就給多大。但實(shí)際中，驅(qū)動是有內(nèi)阻的，假設(shè)其內(nèi)阻為10歐姆，在10V電壓下，最多能提供的峰值電流就是1A，通常也認(rèn)為其驅(qū)動能力為1A。
　　那什么叫驅(qū)動電阻呢，通常驅(qū)動器和MOS的G極之間，會串一個電阻，就如下圖的R3。

　　驅(qū)動電阻的作用，如果你的驅(qū)動走線很長，驅(qū)動電阻可以對走線電感和MOS結(jié)電容引起的震蕩起阻尼作用。但是通常，現(xiàn)在的PCB走線都很緊湊，走線電感非常小。
　　第二個，重要作用就是調(diào)解驅(qū)動器的驅(qū)動能力，調(diào)節(jié)開關(guān)速度。當(dāng)然只能降低驅(qū)動能力，而不能提高。
　　對上圖進(jìn)行仿真，R3分別取1歐姆，和100歐姆。下圖是MOS的G極的電壓波形上升沿。

　　紅色波形為R3=1歐姆，綠色為R3=100歐姆。可以看到，當(dāng)R3比較大時，驅(qū)動就有點(diǎn)力不從心了，特別在處理米勒效應(yīng)的時候，驅(qū)動電壓上升很緩慢。
　　下圖，是驅(qū)動的下降沿

　　同樣標(biāo)稱7A的mos，不同的廠家，不同的器件，參數(shù)是不一樣的。所以沒有什么公式可以去計(jì)算。
　　那么驅(qū)動的快慢對MOS的開關(guān)有什么影響呢？下圖是MOS導(dǎo)通時候DS的電壓：

　　紅色的是R3=1歐姆，綠色的是R3=100歐姆�？梢奟3越大，MOS的導(dǎo)通速度越慢。
　　下圖是電流波形

　　紅色的是R3=1歐姆，綠色的是R3=100歐姆。可見R3越大，MOS的導(dǎo)通速度越慢。
　　可以看到，驅(qū)動電阻增加可以降低MOS開關(guān)的時候得電壓電流的變化率。比較慢的開關(guān)速度，對EMI有好處。下圖是對兩個不同驅(qū)動情況下，MOS的DS電壓波形做付利葉分析得到

　　紅色的是R3=1歐姆，綠色的是R3=100歐姆�？梢姡�(qū)動電阻大的時候，高頻諧波明顯變小。
　　但是驅(qū)動速度慢，又有什么壞處呢？那就是開關(guān)損耗大了，下圖是不同驅(qū)動電阻下，導(dǎo)通損耗的功率曲線。

　　紅色的是R3=1歐姆，綠色的是R3=100歐姆。可見，驅(qū)動電阻大的時候，損耗明顯大了。
　　結(jié)論：驅(qū)動電阻到底選多大？還真難講，小了，EMI不好，大了，效率不好。
　　所以只能一個折中的選擇了。
　　那如果，開通和關(guān)斷的速度要分別調(diào)節(jié)，怎么辦？就用以下電路。

　　MOSFET的自舉驅(qū)動。
　　對于NMOS來說，必須是G極的電壓高于S極一定電壓才能導(dǎo)通。那么對于對S極和控制IC的地等電位的MOS來說，驅(qū)動根本沒有問題，如上圖。
　　但是對于一些拓?fù)�，比如BUCK（開關(guān)管放在上端），雙管正激，雙管反激，半橋，全橋這些拓?fù)涞纳瞎埽蜎]辦法直接用芯片去驅(qū)動，那么可以采用自舉驅(qū)動電路。
　　看下圖的BUCK電路：

　　加入輸入12V，MOS的導(dǎo)通閥值為3V，那么對于Q1來說，當(dāng)Q1導(dǎo)通之后，如果要維持導(dǎo)通狀態(tài)，Q1的G級必須保證15V以上的電壓，因?yàn)镾級已經(jīng)有12V了。
　　那么輸入才12V，怎么得到15V的電壓呢？
　　其實(shí)上管Q1驅(qū)動的供電在于 Cboot。
　　看下圖，芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：

　　Cboot是掛在boot和LX之間的，而LX卻是下管的D級，當(dāng)下管導(dǎo)通的時候，LX接地，芯片的內(nèi)部基準(zhǔn)通過Dboot（自舉二極管）對Cboot充電。當(dāng)下管關(guān)，上管通的時候，LX點(diǎn)的電壓上升，Cboot上的電壓自然就被舉了起來。這樣驅(qū)動電壓才能高過輸入電壓。
　　當(dāng)然芯片內(nèi)部的邏輯信號在提供給驅(qū)動的時候，還需要Level shift電路，把信號的電平電壓也提上去。
　　Buck電路，現(xiàn)在有太多的控制芯片集成了自舉驅(qū)動，讓整個設(shè)計(jì)變得很簡單。但是對于，雙管的，橋式的拓?fù)�，多�?shù)芯片沒有集成驅(qū)動。那樣就可以外加自舉驅(qū)動芯片，48V系統(tǒng)輸入的，可以采用Intersil公司的ISL21XX，HIP21XX系列。如果是AC/DC中，電壓比較高的，可以采用IR的IR21XX系列。
　　下圖是ISL21XX的內(nèi)部框圖。

　　其核心的東西，就是紅圈里的boot二極管，和Level shift電路。
　　ISL21XX驅(qū)動橋式電路示意圖：

　　驅(qū)動雙管電路：

　　驅(qū)動有源鉗位示意圖：

　　當(dāng)然以上都是示意圖，沒有完整的外圍電路，但是外圍其實(shí)很簡單，參考datasheet即可。
　　ISL21XX驅(qū)動橋式電路示意圖：

　　驅(qū)動雙管電路：

　　驅(qū)動有源鉗位示意圖：

　　當(dāng)然以上都是示意圖，沒有完整的外圍電路，但是外圍其實(shí)很簡單，參考datasheet即可。
　　自舉電容主要在于其大小，該電容在充電之后，就要對MOS的結(jié)電容充電，如果驅(qū)動電路上有其他功耗器件，也是該電容供電的。所以要求該電容足夠大，在提供電荷之后，電容上的電壓下跌最好不要超過原先值的10%，這樣才能保證驅(qū)動電壓。但是也不用太大，太大的電容會導(dǎo)致二極管在充電的時候，沖擊電流過大。
　　對于二極管，由于平均電流不會太大，只要保證是快速二極管。當(dāng)然，當(dāng)自舉電壓比較低的時候，這個二極管的正向壓降，盡量選小的。
　　電容沒什么，磁片電容，幾百n就可以了。但是二極管，要超快的，而且耐壓要夠。電流不用太大，1A足夠。
　　隔離驅(qū)動。當(dāng)控制和MOS處于電氣隔離狀態(tài)下，自舉驅(qū)動就無法勝任了，那么就需要隔離驅(qū)動了。下面來討論隔離驅(qū)動中最常用的，變壓器隔離驅(qū)動。
　　看個最簡單的隔離驅(qū)動電路，被驅(qū)動的對象是Q1。

　　%%%%%%%%%%21

　　其實(shí)MOS只是作為開關(guān)管，需要注意的是電機(jī)是感性器件，還有電機(jī)啟動時候的沖擊電流。還有堵轉(zhuǎn)時候的的啟動電流。
　　驅(qū)動源參數(shù)為12V ，100KHz， D=0.5。
　　驅(qū)動變壓器電感量為200uH，匝比為1：1。

　　%%%%%%%%%%22

　　紅色波形為驅(qū)動源V1的輸出，綠色為Q1的G級波形�？梢钥吹�，Q1-G的波形為具有正負(fù)電壓的方波，幅值6V了。
　　為什么驅(qū)動電壓會下降呢，是因?yàn)閂1的電壓直流分量，完全被C1阻擋了。所以C1也稱為隔直電容。
　　下圖為C1上的電壓。

　　%%%%%%%%%%23

　　其平均電壓為6V，但是峰峰值，卻有2V，顯然C1不夠大，導(dǎo)致驅(qū)動信號最終不夠平。那么把C1變?yōu)?70n。Q1-G的電壓波形就變成如下：

　　%%%%%%%%%%24

　　驅(qū)動電壓變得平緩了些。如果把驅(qū)動變壓器的電感量增加到500uH。驅(qū)動信號就如下圖：

　　%%%%%%%%%%25

　　驅(qū)動信號顯得更為平緩。
　　從這里可以看到，這種驅(qū)動，有個明顯的特點(diǎn)，就是驅(qū)動電平，最終到達(dá)MOS的時候，電壓幅度減小了，具體減小多少呢，應(yīng)該是D*V，D為占空比，那么如果D很大的話，驅(qū)動電壓就會變得很小，如下圖，D=0.9

　　%%%%%%%%%%26

　　發(fā)現(xiàn)驅(qū)動到達(dá)MOS的時候，正壓不到2V了。顯然這種驅(qū)動不適合占空比大的情況。
　　從上面可以看到，在驅(qū)動工作的時候，其實(shí)C1上面始終有一個電壓存在，電壓平均值為V*D，也就是說這個電容存儲著一定的能量。那么這個能量的存在，會帶來什么問題呢？
　　下面模擬驅(qū)動突然掉電的情況：

　　%%%%%%%%%%27

　　可見，在驅(qū)動突然關(guān)掉之后，C1上的能量，會引起驅(qū)動變的電感，C1以及mos的結(jié)電容之間的諧振。如果這個諧振電壓足夠高的話，就會觸發(fā)MOS，對可靠性帶來危害。
　　那么如何來降低這個震蕩呢，在GS上并個電阻，下圖是并了1K電阻之后波形：

　　%%%%%%%%%%28

　　但是這個電阻會給驅(qū)動帶來額外的損耗。
　　如何傳遞大占空比的驅(qū)動：
　　看一個簡單的驅(qū)動電路。

　　%%%%%%%%%%29

　　當(dāng)D=0.9的時候

　　%%%%%%%%%%30

　　紅色波形為驅(qū)動源輸出，綠色為到達(dá)MOS的波形。基本保持了驅(qū)動源的波形。
　　同樣，這個電路在驅(qū)動掉電的時候，比如關(guān)機(jī)，也會出現(xiàn)震蕩。

　　%%%%%%%%%%31

　　而且似乎這個問題比上面的電路還嚴(yán)重。
　　下面嘗試降低這個震蕩，首先把R5改為1K

　　%%%%%%%%%%32

　　確實(shí)有改善，但問題還是嚴(yán)重，繼續(xù)在C2上并一個1K的電阻。

　　%%%%%%%%%%33

　　綠色的波形，確實(shí)更改善了一些，但是問題還是存在。這是個可靠性的隱患。
　　對于這個問題如何解決呢？可以采用soft stop的方式來關(guān)機(jī)。soft stop其實(shí)就是soft start的反過程，就是在關(guān)機(jī)的時候，讓驅(qū)動占空比從大往小變化，直到關(guān)機(jī)。很多IC已經(jīng)集成了該功能。

　　可看到，驅(qū)動信號在關(guān)機(jī)的時候，沒有了上面的那些震蕩。
　　對于半橋，全橋的驅(qū)動，由于具有兩相驅(qū)動，而且相位差為180度，那么如何用隔離變壓器來驅(qū)動呢？

　　采用一拖二的方式，可以來驅(qū)動兩個管子。
　　下圖，是兩個驅(qū)動源的波形：

　　通過變壓器傳遞之后，到達(dá)MOS會變成如下：

　　在有源鉗位，不對稱半橋，以及同步整流等場合，需要一對互補(bǔ)的驅(qū)動，那么怎么用一路驅(qū)動來產(chǎn)生互補(bǔ)驅(qū)動，并且形成死區(qū)�？捎孟聢D。
　　波形如下圖：

來源：電子工程網(wǎng)

本文地址：http://m.54549.cn/thread-86488-1-1.html 【打印本頁】

本站部分文章為轉(zhuǎn)載或網(wǎng)友發(fā)布，目的在于傳遞和分享信息，并不代表本網(wǎng)贊同其觀點(diǎn)和對其真實(shí)性負(fù)責(zé)；文章版權(quán)歸原作者及原出處所有，如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問題，我們將根據(jù)著作權(quán)人的要求，第一時間更正或刪除。