1、解析MOSFET的驅(qū)動技術(shù)及應(yīng)用時間:2010年11月08日字體: 大中小關(guān)鍵詞:驅(qū)動電路MOSFET走線自舉結(jié)電容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

2、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

3、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。 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,

4、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

5、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

6、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。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。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R

7、3=100歐姆。可見,驅(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

8、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,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

9、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)?多數(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:

10、 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

11、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。 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。 紅色波形為驅(qū)動源V1的輸出,綠色為Q1

12、的G級波形。可以看到,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。 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: 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: 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

13、小,如下圖,D=0.9 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: 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: 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。 當(dāng)D=0.9的時候 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。 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 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。 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)