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「原创」MOSFET的驱动技能详解_电压_波形

少女玫瑰心 2025-01-19 23:30:09 0

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首先,来做一个实验,把一个MOSFET的G悬空,然后在DS上加电压,那么会涌现什么情形呢?很多工程师都知道,MOS会导通乃至击穿。
这是为什么呢?由于我根本没有加驱动电压,MOS怎么会导通?用下面的图,来做个仿真:

去探测G极的电压,创造电压波形如下:

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G极的电压居然有4V多,难怪MOSFET会导通,这是由于MOSFET的寄生参数在扰乱。

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(图片来自网络侵删)

关于MOSFET的寄生参数的描述,可以参考蜘蛛师长西席的帖子:http://bbs.dianyuan.com/topic/579603

这种情形有什么危害呢?实际情形下,MOS肯定有驱动电路的么,要么导通,要么关掉。
问题就出在开机,或者关机的时候,最紧张是开机的时候,此时你的驱动电路还没上电。
但是输入上电了,由于驱动电路没有事情,G级的电荷无法被开释,就随意马虎导致MOS导通击穿。
那么怎么办理呢?

在GS之间并一个电阻.

那么仿真的结果呢:

险些为0V.

什么叫驱动能力,很多PWM芯片,或者专门的驱动芯片都会说驱动能力,比如384X的驱动能力为1A,其含义是什么呢?

如果驱动是个空想脉冲源,那么其驱动能力便是无穷大,想供应多大电流就给多大。
但实际中,驱动是有内阻的,假设其内阻为10欧姆,在10V电压下,最多能供应的峰值电流便是1A,常日也认为其驱动能力为1A。

那什么叫驱动电阻呢,常日驱动器和MOS的G极之间,会串一个电阻,就如下图的R3。

驱动电阻的浸染,如果你的驱动走线很长,驱动电阻可以对走线电感和MOS结电容引起的震荡起阻尼浸染。
但是常日,现在的PCB走线都很紧凑,走线电感非常小。

第二个,主要浸染便是调度驱动器的驱动能力,调节开关速率。
当然只能降落驱动能力,而不能提高。

对上图进行仿真,R3分别取1欧姆,和100欧姆。
下图是MOS的G极的电压波形上升沿。

赤色波形为R3=1欧姆,绿色为R3=100欧姆。
可以看到,当R3比较大时,驱动就有点力不从心了,特殊在处理米勒效应的时候,驱动电压上升很缓慢。

下图,是驱动的低落沿

那么驱动的快慢对MOS的开关有什么影响呢?下图是MOS导通时候DS的电压:

赤色的是R3=1欧姆,绿色的是R3=100欧姆。
可见R3越大,MOS的导通速率越慢。

下图是电流波形

赤色的是R3=1欧姆,绿色的是R3=100欧姆。
可见R3越大,MOS的导通速率越慢。

可以看到,驱动电阻增加可以降落MOS开关的时候得电压电流的变革率。
比较慢的开关速率,对EMI有好处。
下图是对两个不同驱动情形下,MOS的DS电压波形做付利叶剖析得到

赤色的是R3=1欧姆,绿色的是R3=100欧姆。
可见,驱动电阻大的时候,高频谐波明显变小。

但是驱动速率慢,又有什么坏处呢?那便是开关损耗大了,下图是不同驱动电阻下,导通损耗的功率曲线。

赤色的是R3=1欧姆,绿色的是R3=100欧姆。
可见,驱动电阻大的时候,损耗明显大了。

结论:驱动电阻到底选多大?还真难讲,小了,EMI不好,大了,效率不好。

以是只能一个折中的选择了。

那如果,开通和关断的速率要分别调节,怎么办?就用以下电路。

MOSFET的自举驱动.

对付NMOS来说,必须是G极的电压高于S极一定电压才能导通。
那么对付对S极和掌握IC的地等电位的MOS来说,驱动根本没有问题,如上图。

但是对付一些拓扑,比如BUCK(开关管放在上端),双管正激,双管反激,半桥,全桥这些拓扑的上管,就没办法直接用芯片去驱动,那么可以采取自举驱动电路。

看下图的BUCK电路:

加入输入12V,MOS的导通阀值为3V,那么对付Q1来说,当Q1导通之后,如果要坚持导通状态,Q1的G级必须担保15V以上的电压,由于S级已经有12V了。

那么输入才12V,怎么得到15V的电压呢?

实在上管Q1驱动的供电在于 Cboot。

看下图,芯片的内部构造:

Cboot是挂在boot和LX之间的,而LX却是下管的D级,当下管导通的时候,LX接地,芯片的内部基准通过Dboot(自举二极管)对Cboot充电。
当下管关,上管通的时候,LX点的电压上升,Cboot上的电压自然就被举了起来。
这样驱动电压才能高过输入电压。

当然芯片内部的逻辑旗子暗记在供应给驱动的时候,还须要Level shift电路,把旗子暗记的电平电压也提上去。

Buck电路,现在有太多的掌握芯片集成了自举驱动,让全体设计变得很大略。
但是对付,双管的,桥式的拓扑,多数芯片没有集成驱动。
那样就可以外加自举驱动芯片,48V系统输入的,可以采取Intersil公司的ISL21XX,HIP21XX系列。
如果是AC/DC中,电压比较高的,可以采取IR的IR21XX系列。

下图是ISL21XX的内部框图。

其核心的东西,便是红圈里的boot二极管,和Level shift电路

ISL21XX驱动桥式电路示意图:

驱动双管电路:

驱动有源钳位示意图:

当然以上都是示意图,没有完全的外围电路,但是外围实在很大略,参考datasheet即可。

隔离驱动。
当掌握和MOS处于电气隔离状态下,自举驱动就无法胜任了,那么就须要隔离驱动了。
下面来谈论隔离驱动中最常用的,变压器隔离驱动。

看个最大略的隔离驱动电路,被驱动的工具是Q1。

驱动源参数为12V ,100KHz, D=0.5。

驱动变压器电感量为200uH,匝比为1:1。

赤色波形为驱动源V1的输出,绿色为Q1的G级波形。
可以看到,Q1-G的波形为具有正负电压的方波,幅值6V了。

为什么驱动电压会低落呢,是由于V1的电压直流分量,完备被C1阻挡了。
以是C1也称为隔直电容。

下图为C1上的电压。

其均匀电压为6V,但是峰峰值,却有2V,显然C1不足大,导致驱动旗子暗记终极不足平。
那么把C1变为470n。
Q1-G的电压波形就变成如下:

驱动电压变得平缓了些。
如果把驱动变压器的电感量增加到500uH。
驱动旗子暗记就如下图:

驱动旗子暗记显得更为平缓。

从这里可以看到,这种驱动,有个明显的特点,便是驱动电平,终极到达MOS的时候,电压幅度减小了,详细减小多少呢,该当是DV,D为占空比,那么如果D很大的话,驱动电压就会变得很小,如下图,D=0.9

创造驱动到达MOS的时候,正压不到2V了。
显然这种驱动不适宜占空频年夜的情形。

从上面可以看到,在驱动事情的时候,实在C1上面始终有一个电压存在,电压均匀值为

VD,也便是说这个电容存储着一定的能量。
那么这个能量的存在,会带来什么问题呢?

下面仿照驱动溘然掉电的情形:

可见,在驱动溘然关掉之后,C1上的能量,会引起驱动变的电感,C1以及mos的结电容之间的谐振。
如果这个谐振电压足够高的话,就会触发MOS,对可靠性带来危害。

那么如何来降落这个震荡呢,在GS上并个电阻,下图是并了1K电阻之后波形:

但是这个电阻会给驱动带来额外的损耗。

如何通报大占空比的驱动:

看一个大略的驱动电路。

当D=0.9的时候

赤色波形为驱动源输出,绿色为到达MOS的波形。
基本保持了驱动源的波形。

同样,这个电路在驱动掉电的时候,比如关机,也会涌现震荡。

而且彷佛这个问题比上面的电路还严重。

下面考试测验降落这个震荡,首先把R5改为1K

确实有改进,但问题还是严重,连续在C2上并一个1K的电阻。

绿色的波形,确实变动良了一些,但是问题还是存在。
这是个可靠性的隐患。

对付这个问题如何办理呢?可以采取soft stop的办法来关机。
soft stop实在便是soft start的反过程,便是在关机的时候,让驱动占空比从大往小变革,直到关机。
很多IC已经集成了该功能。

可看到,驱动旗子暗记在关机的时候,没有了上面的那些震荡。

对付半桥,全桥的驱动,由于具有两相驱动,而且相位差为180度,那么如何用隔离变压器来驱动呢?

采取一拖二的办法,可以来驱动两个管子。

下图,是两个驱动源的波形:

通过变压器通报之后,到达MOS会变成如下:

在有源钳位,不对称半桥,以及同步整流等场合,须要一对互补的驱动,那么怎么用一起驱动来产生互补驱动,并且形成去世区。
可用下图。

波形如下图:

MOSFET的并联驱动,由于MOS常常采取并联的办法事情,那么驱动又该如何设计呢?

是这样

还是这样?

MOS并联,对驱动的同等性哀求就很高了,如果导通,关断韶光不一致,会导致个中一个MOS开关损耗剧增。
以是在软开关电路上,用MOS并联问题比较少,但是硬开关电路,就要小心了。
下面用仿真来看征象,假设两个MOS并联,而且MOS的参数完备一样。

但是驱动走线的寄生参数有很大不同。

R2,R4,L1,L2都为驱动走线的寄生参数。
那么下图为,导通时候,两个mos的电流

基本上还算同等。

接下去,把两个驱动电阻并联起来一起去驱动两MOS,

再看导通时候的电流波形:

两管子的电流波形,均涌现剧烈震荡。

Pmos的驱动:

下图为Pmos

Pmos哀求GS的电压是负的,也便是G的电压要比S的低,才能导通。
那么,如果SD承受高压,G只要比S的电压低一点就能导通,但是一旦SD导通,G必须坚持负压才能导通。

而GS的耐压是很低的,这就很麻烦了。
一样平常在电源中最常见的Pmos运用,就有有源钳位

有源钳位的Pmos,是S级接地的,那么要保持导通,G级必须要有负压才行。
那么如何产生负压呢,可以采取下图驱动办法:

那么波形可见:

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