詳解MOSFET的驅動(dòng)技術(shù)及應用.pdf
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MOSFET作為功率開(kāi)關(guān)管，已經(jīng)是是開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域的絕對主力器件。雖然MOSFET作為電壓型驅動(dòng)器件，其驅動(dòng)表面上看來(lái)是非常簡(jiǎn)單，但是詳細分析起來(lái)并不簡(jiǎn)單。下面我會(huì )花一點(diǎn)時(shí)間，一點(diǎn)點(diǎn)來(lái)解析MOSFET的驅動(dòng)技術(shù)，以及在不同的應用，應該采用什么樣的驅動(dòng)電路。 首先，來(lái)做一個(gè)實(shí)驗，把一個(gè)MOSFET的G懸空，然后在DS上加電壓，那么會(huì )出現什么情況呢？很多工程師都知道，MOS會(huì )導通甚至擊穿。這是為什么呢？因為我根本沒(méi)有加驅動(dòng)電壓，MOS怎么會(huì )導通？用下面的圖，來(lái)做個(gè)仿真： 
這種情況有什么危害呢？實(shí)際情況下，MOS肯定有驅動(dòng)電路的么，要么導通，要么關(guān)掉。問(wèn)題就出在開(kāi)機，或者關(guān)機的時(shí)候，最主要是開(kāi)機的時(shí)候，此時(shí)你的驅動(dòng)電路還沒(méi)上電。但是輸入上電了，由于驅動(dòng)電路沒(méi)有工作，G級的電荷無(wú)法被釋放，就容易導致MOS導通擊穿。那么怎么解決呢？ 在GS之間并一個(gè)電阻.
幾乎為0V.
假如驅動(dòng)是個(gè)理想脈沖源，那么其驅動(dòng)能力就是無(wú)窮大，想提供多大電流就給多大。但實(shí)際中，驅動(dòng)是有內阻的，假設其內阻為10歐姆，在10V電壓下，最多能提供的峰值電流就是1A，通常也認為其驅動(dòng)能力為1A。 那什么叫驅動(dòng)電阻呢，通常驅動(dòng)器和MOS的G極之間，會(huì )串一個(gè)電阻，就如下圖的R3。
第二個(gè)，重要作用就是調解驅動(dòng)器的驅動(dòng)能力，調節開(kāi)關(guān)速度。當然只能降低驅動(dòng)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。
下圖，是驅動(dòng)的下降沿
那么驅動(dòng)的快慢對MOS的開(kāi)關(guān)有什么影響呢？下圖是MOS導通時(shí)候DS的電壓：
下圖是電流波形
可以看到，驅動(dòng)電阻增加可以降低MOS開(kāi)關(guān)的時(shí)候得電壓電流的變化率。比較慢的開(kāi)關(guān)速度，對EMI有好處。下圖是對兩個(gè)不同驅動(dòng)情況下，MOS的DS電壓波形做付利葉分析得到
但是驅動(dòng)速度慢，又有什么壞處呢？那就是開(kāi)關(guān)損耗大了，下圖是不同驅動(dòng)電阻下，導通損耗的功率曲線(xiàn)。
結論：驅動(dòng)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(gè)折中的選擇了。 那如果，開(kāi)通和關(guān)斷的速度要分別調節，怎么辦？就用以下電路。
對于NMOS來(lái)說(shuō)，必須是G極的電壓高于S極一定電壓才能導通。那么對于對S極和控制IC的地等電位的MOS來(lái)說(shuō)，驅動(dòng)根本沒(méi)有問(wèn)題，如上圖。 但是對于一些拓撲，比如BUCK（開(kāi)關(guān)管放在上端），雙管正激，雙管反激，半橋，全橋這些拓撲的上管，就沒(méi)辦法直接用芯片去驅動(dòng)，那么可以采用自舉驅動(dòng)電路。 看下圖的BUCK電路：
那么輸入才12V，怎么得到15V的電壓呢？ 其實(shí)上管Q1驅動(dòng)的供電在于 Cboot。 看下圖，芯片的內部結構：
當然芯片內部的邏輯信號在提供給驅動(dòng)的時(shí)候，還需要Level shift電路，把信號的電平電壓也提上去。 Buck電路，現在有太多的控制芯片集成了自舉驅動(dòng)，讓整個(gè)設計變得很簡(jiǎn)單。但是對于，雙管的，橋式的拓撲，多數芯片沒(méi)有集成驅動(dòng)。那樣就可以外加自舉驅動(dòng)芯片，48V系統輸入的，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的內部框圖。
ISL21XX驅動(dòng)橋式電路示意圖：
ISL21XX驅動(dòng)橋式電路示意圖：
自舉電容主要在于其大小，該電容在充電之后，就要對MOS的結電容充電，如果驅動(dòng)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(guò)原先值的10%，這樣才能保證驅動(dòng)電壓。但是也不用太大，太大的電容會(huì )導致二極管在充電的時(shí)候，沖擊電流過(guò)大。 對于二極管，由于平均電流不會(huì )太大，只要保證是快速二極管。當然，當自舉電壓比較低的時(shí)候，這個(gè)二極管的正向壓降，盡量選小的。 電容沒(méi)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。 隔離驅動(dòng)。當控制和MOS處于電氣隔離狀態(tài)下，自舉驅動(dòng)就無(wú)法勝任了，那么就需要隔離驅動(dòng)了。下面來(lái)討論隔離驅動(dòng)中最常用的，變壓器隔離驅動(dòng)。 看個(gè)最簡(jiǎn)單的隔離驅動(dòng)電路，被驅動(dòng)的對象是Q1。 %%%%%%%%%%21 其實(shí)MOS只是作為開(kāi)關(guān)管，需要注意的是電機是感性器件，還有電機啟動(dòng)時(shí)候的沖擊電流。還有堵轉時(shí)候的的啟動(dòng)電流。驅動(dòng)源參數為12V ，100KHz， D=0.5。 驅動(dòng)變壓器電感量為200uH，匝比為1：1。 %%%%%%%%%%22 紅色波形為驅動(dòng)源V1的輸出，綠色為Q1的G級波形�？梢钥吹�，Q1-G的波形為具有正負電壓的方波，幅值6V了。為什么驅動(dòng)電壓會(huì )下降呢，是因為V1的電壓直流分量，完全被C1阻擋了。所以C1也稱(chēng)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，導致驅動(dòng)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 驅動(dòng)電壓變得平緩了些。如果把驅動(dòng)變壓器的電感量增加到500uH。驅動(dòng)信號就如下圖： %%%%%%%%%%25 驅動(dòng)信號顯得更為平緩。從這里可以看到，這種驅動(dòng)，有個(gè)明顯的特點(diǎn)，就是驅動(dòng)電平，最終到達MOS的時(shí)候，電壓幅度減小了，具體減小多少呢，應該是D*V，D為占空比，那么如果D很大的話(huà)，驅動(dòng)電壓就會(huì )變得很小，如下圖，D=0.9 %%%%%%%%%%26 發(fā)現驅動(dòng)到達MOS的時(shí)候，正壓不到2V了。顯然這種驅動(dòng)不適合占空比大的情況。從上面可以看到，在驅動(dòng)工作的時(shí)候，其實(shí)C1上面始終有一個(gè)電壓存在，電壓平均值為V*D，也就是說(shuō)這個(gè)電容存儲著(zhù)一定的能量。那么這個(gè)能量的存在，會(huì )帶來(lái)什么問(wèn)題呢？ 下面模擬驅動(dòng)突然掉電的情況： %%%%%%%%%%27 可見(jiàn)，在驅動(dòng)突然關(guān)掉之后，C1上的能量，會(huì )引起驅動(dòng)變的電感，C1以及mos的結電容之間的諧振。如果這個(gè)諧振電壓足夠高的話(huà)，就會(huì )觸發(fā)MOS，對可靠性帶來(lái)危害。那么如何來(lái)降低這個(gè)震蕩呢，在GS上并個(gè)電阻，下圖是并了1K電阻之后波形： %%%%%%%%%%28 但是這個(gè)電阻會(huì )給驅動(dòng)帶來(lái)額外的損耗。如何傳遞大占空比的驅動(dòng)： 看一個(gè)簡(jiǎn)單的驅動(dòng)電路。 %%%%%%%%%%29 當D=0.9的時(shí)候 %%%%%%%%%%30 紅色波形為驅動(dòng)源輸出，綠色為到達MOS的波形�；颈３至蓑寗�(dòng)源的波形。同樣，這個(gè)電路在驅動(dòng)掉電的時(shí)候，比如關(guān)機，也會(huì )出現震蕩。 %%%%%%%%%%31 而且似乎這個(gè)問(wèn)題比上面的電路還嚴重。下面嘗試降低這個(gè)震蕩，首先把R5改為1K %%%%%%%%%%32 確實(shí)有改善，但問(wèn)題還是嚴重，繼續在C2上并一個(gè)1K的電阻。 %%%%%%%%%%33 綠色的波形，確實(shí)更改善了一些，但是問(wèn)題還是存在。這是個(gè)可靠性的隱患。對于這個(gè)問(wèn)題如何解決呢？可以采用soft stop的方式來(lái)關(guān)機。soft stop其實(shí)就是soft start的反過(guò)程，就是在關(guān)機的時(shí)候，讓驅動(dòng)占空比從大往小變化，直到關(guān)機。很多IC已經(jīng)集成了該功能。
對于半橋，全橋的驅動(dòng)，由于具有兩相驅動(dòng)，而且相位差為180度，那么如何用隔離變壓器來(lái)驅動(dòng)呢？
下圖，是兩個(gè)驅動(dòng)源的波形：
波形如下圖：
來(lái)源：電子工程網(wǎng) |
