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解析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。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。

關(guān)鍵詞： MOS|IGBT|元器件驅(qū)動(dòng)電路 MOSFET 走線自舉結(jié)電容

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(cè)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？

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。

去探測(cè)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

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。

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?？梢钥吹?，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?？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?？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。可見，驅(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?，就沒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?；颈３至蓑?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。