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詳解MOSFET的驅(qū)動(dòng)技術(shù)及應(yīng)用

摘要： 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(duì)主力器件。雖然MOSFET作為電壓型驅(qū)動(dòng)器件,，其驅(qū)動(dòng)表面上看來是非常簡單，但是詳細(xì)分析起來并不簡單,。

關(guān)鍵詞： MOS|IGBT|元器件 MOSFET 驅(qū)動(dòng) 應(yīng)用

Abstract：

Key words :

　　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(duì)主力器件,。雖然MOSFET作為電壓型驅(qū)動(dòng)器件,，其驅(qū)動(dòng)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(huì)花一點(diǎn)時(shí)間,，一點(diǎn)點(diǎn)來解析MOSFET的驅(qū)動(dòng)技術(shù),，以及在不同的應(yīng)用,，應(yīng)該采用什么樣的驅(qū)動(dòng)電路,。

　　首先，來做一個(gè)實(shí)驗(yàn),，把一個(gè)MOSFET的G懸空,，然后在DS上加電壓，那么會(huì)出現(xiàn)什么情況呢,？很多工程師都知道,，MOS會(huì)導(dǎo)通甚至擊穿。這是為什么呢？因?yàn)槲腋緵]有加驅(qū)動(dòng)電壓,，MOS怎么會(huì)導(dǎo)通,？用下面的圖，來做個(gè)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(huì)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(dòng)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(shí)候,，最主要是開機(jī)的時(shí)候，此時(shí)你的驅(qū)動(dòng)電路還沒上電,。但是輸入上電了,，由于驅(qū)動(dòng)電路沒有工作，G級(jí)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(gè)電阻.

　　那么仿真的結(jié)果呢：

幾乎為0V.

　　什么叫驅(qū)動(dòng)能力,，很多PWM芯片,，或者專門的驅(qū)動(dòng)芯片都會(huì)說驅(qū)動(dòng)能力，比如384X的驅(qū)動(dòng)能力為1A,，其含義是什么呢,？

　　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(duì)主力器件,。雖然MOSFET作為電壓型驅(qū)動(dòng)器件,，其驅(qū)動(dòng)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(huì)花一點(diǎn)時(shí)間,，一點(diǎn)點(diǎn)來解析MOSFET的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，以及在不同的應(yīng)用,，應(yīng)該采用什么樣的驅(qū)動(dòng)電路,。

　　首先，來做一個(gè)實(shí)驗(yàn),，把一個(gè)MOSFET的G懸空,，然后在DS上加電壓,，那么會(huì)出現(xiàn)什么情況呢？很多工程師都知道,，MOS會(huì)導(dǎo)通甚至擊穿,。這是為什么呢？因?yàn)槲腋緵]有加驅(qū)動(dòng)電壓,，MOS怎么會(huì)導(dǎo)通,？用下面的圖，來做個(gè)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(huì)導(dǎo)通，這是因?yàn)镸OSFET的寄生參數(shù)在搗鬼,。

　　在GS之間并一個(gè)電阻.

　　那么仿真的結(jié)果呢：

幾乎為0V.

　　假如驅(qū)動(dòng)是個(gè)理想脈沖源，那么其驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)能力為1A,。

　　那什么叫驅(qū)動(dòng)電阻呢，通常驅(qū)動(dòng)器和MOS的G極之間,，會(huì)串一個(gè)電阻,，就如下圖的R3。

　　驅(qū)動(dòng)電阻的作用,，如果你的驅(qū)動(dòng)走線很長,，驅(qū)動(dòng)電阻可以對(duì)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(gè),，重要作用就是調(diào)解驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力,，調(diào)節(jié)開關(guān)速度。當(dāng)然只能降低驅(qū)動(dòng)能力,，而不能提高,。

　　對(duì)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(shí),，驅(qū)動(dòng)就有點(diǎn)力不從心了，特別在處理米勒效應(yīng)的時(shí)候,，驅(qū)動(dòng)電壓上升很緩慢,。

　　下圖，是驅(qū)動(dòng)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(dòng)的快慢對(duì)MOS的開關(guān)有什么影響呢？下圖是MOS導(dǎo)通時(shí)候DS的電壓：

　　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,。

　　下圖是電流波形

　　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。

　　可以看到,，驅(qū)動(dòng)電阻增加可以降低MOS開關(guān)的時(shí)候得電壓電流的變化率,。比較慢的開關(guān)速度，對(duì)EMI有好處,。下圖是對(duì)兩個(gè)不同驅(qū)動(dòng)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(dòng)電阻大的時(shí)候,，高頻諧波明顯變小,。

　　但是驅(qū)動(dòng)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(dòng)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?？梢?，驅(qū)動(dòng)電阻大的時(shí)候，損耗明顯大了,。

　　結(jié)論：驅(qū)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(dòng)。

　　對(duì)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(duì)于對(duì)S極和控制IC的地等電位的MOS來說，驅(qū)動(dòng)根本沒有問題,，如上圖,。

　　但是對(duì)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(dòng),，那么可以采用自舉驅(qū)動(dòng)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(duì)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(jí)必須保證15V以上的電壓,，因?yàn)镾級(jí)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(dòng)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(jí)，當(dāng)下管導(dǎo)通的時(shí)候,，LX接地,，芯片的內(nèi)部基準(zhǔn)通過Dboot（自舉二極管）對(duì)Cboot充電。當(dāng)下管關(guān),，上管通的時(shí)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(dòng)電壓才能高過輸入電壓,。

　　當(dāng)然芯片內(nèi)部的邏輯信號(hào)在提供給驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，還需要Level shift電路,，把信號(hào)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(dòng),，讓整個(gè)設(shè)計(jì)變得很簡單,。但是對(duì)于,，雙管的，橋式的拓?fù)?，多?shù)芯片沒有集成驅(qū)動(dòng),。那樣就可以外加自舉驅(qū)動(dòng)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(dòng)橋式電路示意圖：

　　驅(qū)動(dòng)雙管電路：

　　驅(qū)動(dòng)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(dòng)橋式電路示意圖：

　　驅(qū)動(dòng)雙管電路：

　　驅(qū)動(dòng)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(duì)MOS的結(jié)電容充電，如果驅(qū)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原先值的10%,，這樣才能保證驅(qū)動(dòng)電壓。但是也不用太大,，太大的電容會(huì)導(dǎo)致二極管在充電的時(shí)候,，沖擊電流過大。

　　對(duì)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(dāng)然，當(dāng)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(dòng),。當(dāng)控制和MOS處于電氣隔離狀態(tài)下,，自舉驅(qū)動(dòng)就無法勝任了，那么就需要隔離驅(qū)動(dòng)了,。下面來討論隔離驅(qū)動(dòng)中最常用的,，變壓器隔離驅(qū)動(dòng)。

　　看個(gè)最簡單的隔離驅(qū)動(dòng)電路,，被驅(qū)動(dòng)的對(duì)象是Q1,。

　　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(dòng)時(shí)候的沖擊電流,。還有堵轉(zhuǎn)時(shí)候的的啟動(dòng)電流。

　　驅(qū)動(dòng)源參數(shù)為12V ,，100KHz,， D=0.5。

　　驅(qū)動(dòng)變壓器電感量為200uH,，匝比為1：1,。

　　紅色波形為驅(qū)動(dòng)源V1的輸出，綠色為Q1的G級(jí)波形,?？梢钥吹剑琎1-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(dòng)電壓會(huì)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。

　　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(dòng)信號(hào)最終不夠平,。那么把C1變?yōu)?70n。Q1-G的電壓波形就變成如下：

　　驅(qū)動(dòng)電壓變得平緩了些,。如果把驅(qū)動(dòng)變壓器的電感量增加到500uH,。驅(qū)動(dòng)信號(hào)就如下圖：

　　驅(qū)動(dòng)信號(hào)顯得更為平緩。

　　從這里可以看到,，這種驅(qū)動(dòng),，有個(gè)明顯的特點(diǎn)，就是驅(qū)動(dòng)電平,，最終到達(dá)MOS的時(shí)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(dòng)電壓就會(huì)變得很小,，如下圖，D=0.9

　　發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)到達(dá)MOS的時(shí)候,，正壓不到2V了,。顯然這種驅(qū)動(dòng)不適合占空比大的情況。

　　從上面可以看到,，在驅(qū)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,，也就是說這個(gè)電容存儲(chǔ)著一定的能量,。那么這個(gè)能量的存在，會(huì)帶來什么問題呢,？

　　下面模擬驅(qū)動(dòng)突然掉電的情況：

　　可見,，在驅(qū)動(dòng)突然關(guān)掉之后，C1上的能量,，會(huì)引起驅(qū)動(dòng)變的電感,，C1以及mos的結(jié)電容之間的諧振。如果這個(gè)諧振電壓足夠高的話,，就會(huì)觸發(fā)MOS,，對(duì)可靠性帶來危害,。

　　那么如何來降低這個(gè)震蕩呢，在GS上并個(gè)電阻,，下圖是并了1K電阻之后波形：

　　但是這個(gè)電阻會(huì)給驅(qū)動(dòng)帶來額外的損耗,。

　　如何傳遞大占空比的驅(qū)動(dòng)：

　　看一個(gè)簡單的驅(qū)動(dòng)電路。

　　當(dāng)D=0.9的時(shí)候

　　紅色波形為驅(qū)動(dòng)源輸出,，綠色為到達(dá)MOS的波形,。基本保持了驅(qū)動(dòng)源的波形,。

　　同樣,，這個(gè)電路在驅(qū)動(dòng)掉電的時(shí)候，比如關(guān)機(jī),，也會(huì)出現(xiàn)震蕩,。

　　而且似乎這個(gè)問題比上面的電路還嚴(yán)重。

　　下面嘗試降低這個(gè)震蕩,，首先把R5改為1K

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

　　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(gè)可靠性的隱患。

　　對(duì)于這個(gè)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(shí)候,，讓驅(qū)動(dòng)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,。