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MOS管
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    詳解MOS管的驅(qū)動(dòng)技術(shù)
  • 詳解MOS管的驅(qū)動(dòng)技術(shù)
  •   發(fā)布日期: 2021-11-10  瀏覽次數(shù): 6,223

     

    MOSFET的簡(jiǎn)單模型
    640
    640
    MOSFET的一些主要參數(shù)

    ■耐壓:通常所說(shuō)的VDS,或者說(shuō)是擊穿電壓。那么一般MOS廠家是如何來(lái)定義這個(gè)參數(shù)的呢?

    640-1

    ■上面這個(gè)例子顯示,當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為0,Vds達(dá)到200V的時(shí)候,Id這個(gè)電流達(dá)到了250uA,這個(gè)時(shí)候認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到擊穿電壓。

    ■不同的廠家對(duì)此定義略有不同,但是基本上來(lái)說(shuō),當(dāng)電壓超過(guò)擊穿電壓,MOS的漏電流就會(huì)急劇上升。

    ■導(dǎo)通電阻:

    ■MOSFET在導(dǎo)通之后,其特性可以近似認(rèn)為是一個(gè)電阻

    640-2

    ■上面這個(gè)例子表示,在驅(qū)動(dòng)電壓為10V的時(shí)候,導(dǎo)通電阻為0.18歐姆

    ■導(dǎo)通電阻的溫度關(guān)系:

    ■MOS的導(dǎo)通電阻隨溫度上升而上升,下圖顯示該MOS的導(dǎo)通電阻在結(jié)溫為140度的時(shí)候,為20度時(shí)候的2倍。

    640-1

    ■導(dǎo)通閥值電壓:就是當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓到達(dá)該值之后,可認(rèn)為MOS已經(jīng)開(kāi)通。

    640-3

    ■上面這個(gè)例子,可以看到當(dāng)Vgs達(dá)到2-4V的時(shí)候,MOS電流就上升到250uA。這時(shí)候可認(rèn)為MOS已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)通。

    ■驅(qū)動(dòng)電壓和導(dǎo)通電阻,最大導(dǎo)通電流之間的關(guān)系

    ■從下圖可以看到,驅(qū)動(dòng)電壓越高,實(shí)際上導(dǎo)通電阻越小,而且最大導(dǎo)通電流也越大

    640-2

    ■導(dǎo)通閥值電壓隨溫度上升而下降

    ■MOSFET的寄生二極管

    640-4
    640-3

    ■寄生二極管比較重要的特性,就是反向恢復(fù)特性。這個(gè)在ZVS,同步整流等應(yīng)用中顯得尤為重要。

    ■MOSFET的寄生電容

    640-6

    ■這三個(gè)電容的定義如下:

    640-5

    ■MOS的寄生電容都是非線性電容,其容值和加在上面的電壓有關(guān)。所以一般的MOS廠家還會(huì)用另外一個(gè)參數(shù)來(lái)描述這個(gè)特性:

    640-7

    ■用電荷來(lái)描述

    MOS管的驅(qū)動(dòng)技術(shù),下面我們用實(shí)例來(lái)詳解

    首先,來(lái)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](méi)有加驅(qū)動(dòng)電壓,MOS怎么會(huì)導(dǎo)通?用下面的圖,來(lái)做個(gè)仿真:

    1279090886-296378?

    去探測(cè)G極的電壓,發(fā)現(xiàn)電壓波形如下:

    ?1279091107-296381?

    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。

    關(guān)于MOSFET的寄生參數(shù)的描述,可以參考蜘蛛先生的帖子:https://bbs.dianyuan.com/topic/579603

    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(wèn)題就出在開(kāi)機(jī),或者關(guān)機(jī)的時(shí)候,最主要是開(kāi)機(jī)的時(shí)候,此時(shí)你的驅(qū)動(dòng)電路還沒(méi)上電。但是輸入上電了,由于驅(qū)動(dòng)電路沒(méi)有工作,G級(jí)的電荷無(wú)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.

    1279092063-296403?

    那么仿真的結(jié)果呢:

    1279096875-296499?

    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(shuō)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(wú)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。

    1279099735-296563?

    驅(qū)動(dòng)電阻的作用,如果你的驅(qū)動(dòng)走線很長(zhǎng),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(kāi)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。

    1279112950-296637?1279112950-296637?

    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1279113234-296640?

    1279113234-296640

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

    1279171481-297088?

    紅色的是R3=1歐姆,綠色的是R3=100歐姆。可見(jiàn)R3越大,MOS的導(dǎo)通速度越慢。

    下圖是電流波形

    1279171742-297099?

    紅色的是R3=1歐姆,綠色的是R3=100歐姆??梢?jiàn)R3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(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(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

    1279172707-297119?

    紅色的是R3=1歐姆,綠色的是R3=100歐姆??梢?jiàn),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(kāi)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。

    1279173062-297128?

    紅色的是R3=1歐姆,綠色的是R3=100歐姆??梢?jiàn),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(kāi)通和關(guān)斷的速度要分別調(diào)節(jié),怎么辦?就用以下電路。

    1279173972-297146
    • MOSFET的自舉驅(qū)動(dòng).

      對(duì)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(dǎo)通。那么對(duì)于對(duì)S極和控制IC的地等電位的MOS來(lái)說(shuō),驅(qū)動(dòng)根本沒(méi)有問(wèn)題,如上圖。

      但是對(duì)于一些拓?fù)?,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?fù)涞纳瞎?,就沒(méi)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:

      1279344214-298370

      加入輸入12V,MOS的導(dǎo)通閥值為3V,那么對(duì)于Q1來(lái)說(shuō),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):

      1279344611-298373?

      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(guò)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(lái)。這樣驅(qū)動(dòng)電壓才能高過(guò)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(jiǎn)單。但是對(duì)于,雙管的,橋式的拓?fù)?,多?shù)芯片沒(méi)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。

      1279374757-298547?

      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:

      1279375386-298552?

      驅(qū)動(dòng)雙管電路:

      1279375407-298553??

      驅(qū)動(dòng)有源鉗位示意圖:

      1279375477-298554?

      當(dāng)然以上都是示意圖,沒(méi)有完整的外圍電路,但是外圍其實(shí)很簡(jiǎn)單,參考datasheet即可。

    • 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(wú)法勝任了,那么就需要隔離驅(qū)動(dòng)了。下面來(lái)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(jiǎn)單的隔離驅(qū)動(dòng)電路,被驅(qū)動(dòng)的對(duì)象是Q1。?

      1279525085-299547

      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。

      1279536990-299704?

      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?,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(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。

      1279537290-299705?

      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:

      1279537758-299707?

      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:

      1279537870-299708?

      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

      1279643340-300433?

      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(shuō)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(lái)什么問(wèn)題呢?

      下面模擬驅(qū)動(dòng)突然掉電的情況:

      1279643907-300436?

      可見(jiàn),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(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:

      1279698437-300993?

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

      如何傳遞大占空比的驅(qū)動(dòng):

      看一個(gè)簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路。

      1279712951-301200

      當(dāng)D=0.9的時(shí)候

      1279713216-301203?

      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。

      1279713710-301205?

      而且似乎這個(gè)問(wèn)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

      1279714123-301211?

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

      1279714291-301213?

      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(duì)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(jī)。soft stop其實(shí)就是soft start的反過(guò)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。

      1279725208-301306?

      可看到,驅(qū)動(dòng)信號(hào)在關(guān)機(jī)的時(shí)候,沒(méi)有了上面的那些震蕩。

      對(duì)于半橋,全橋的驅(qū)動(dòng),由于具有兩相驅(qū)動(dòng),而且相位差為180度,那么如何用隔離變壓器來(lái)驅(qū)動(dòng)呢?

      1279972491-303557

      采用一拖二的方式,可以來(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)管子。

      下圖,是兩個(gè)驅(qū)動(dòng)源的波形:

      1279972726-303558?

      通過(guò)變壓器傳遞之后,到達(dá)MOS會(huì)變成如下:

      1279972829-303559?

      • ?
      • 在有源鉗位,不對(duì)稱半橋,以及同步整流等場(chǎng)合,需要一對(duì)互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng),那么怎么用一路驅(qū)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生互補(bǔ)驅(qū)動(dòng),并且形成死區(qū)。可用下圖。1279974457-303562?

        波形如下圖:

        1279974555-303563?

      • MOSFET的并聯(lián)驅(qū)動(dòng),由于MOS經(jīng)常采用并聯(lián)的方式工作,那么驅(qū)動(dòng)又該如何設(shè)計(jì)呢?

         

        是這樣1280206249-305183?

        還是這樣?

        1280206281-305185

         

        MOS并聯(lián),對(duì)驅(qū)動(dòng)的一致性要求就很高了,如果導(dǎo)通,關(guān)斷時(shí)間不一致,會(huì)導(dǎo)致其中一個(gè)MOS開(kāi)關(guān)損耗劇增。所以在軟開(kāi)關(guān)電路上,用MOS并聯(lián)問(wèn)題比較少,但是硬開(kāi)關(guān)電路,就要小心了。下面用仿真來(lái)看現(xiàn)象,假設(shè)兩個(gè)MOS并聯(lián),而且MOS的參數(shù)完全一樣。

        但是驅(qū)動(dòng)走線的寄生參數(shù)有很大不同。

        1280287584-305913?

        R2,R4,L1,L2都為驅(qū)動(dòng)走線的寄生參數(shù)。那么下圖為,導(dǎo)通時(shí)候,兩個(gè)mos的電流

        基本上還算一致。

         

        1280287794-305915

         

        接下去,把兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電阻并聯(lián)起來(lái)一起去驅(qū)動(dòng)兩MOS,

        1280288299-305917?

        再看導(dǎo)通時(shí)候的電流波形:

        1280288430-305919?

        兩管子的電流波形,均出現(xiàn)劇烈震蕩。

      Pmos的驅(qū)動(dòng):

      下圖為Pmos

      1281502631-316694?

      Pmos要求GS的電壓是負(fù)的,也就是G的電壓要比S的低,才能導(dǎo)通。那么,如果SD承受高壓,G只要比S的電壓低一點(diǎn)就能導(dǎo)通,但是一旦SD導(dǎo)通,G必須維持負(fù)壓才能導(dǎo)通。

      而GS的耐壓是很低的,這就很麻煩了。一般在電源中最常見(jiàn)的Pmos應(yīng)用,就有有源鉗位

       

      有源鉗位的Pmos,是S級(jí)接地的,那么要保持導(dǎo)通,G級(jí)必須要有負(fù)壓才行。那么如何產(chǎn)生負(fù)壓呢,可以采用下圖驅(qū)動(dòng)方式:

      1281503406-316709?

      那么波形可見(jiàn):

      1281503421-316711??

     

     

     

     

     


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