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MOSFET的驱动技术详解

2016-04-03  Ricky_图...
  • 首先,来做一个实验,把一个MOSFET的G悬空,然后在DS上加电压,那么会出现什么情况呢?很多工程师都知道,MOS会导通甚至击穿。这是为什么呢?因为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,发现电压波形如下:

      

    G极的电压居然有4V多,难怪MOSFET会导通,这是因为MOSFET的寄生参数在捣鬼。

    关于MOSFET的寄生参数的描述,可以参考蜘蛛先生的帖子:http://bbs.dianyuan.com/topic/579603



    这种情况有什么危害呢?实际情况下,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,最主要是开机的时候,此时你的驱动电路还没上电。但是输入上电了,由于驱动电路没有工作,G级的电荷无法被释放,就容易导致MOS导通击穿。那么怎么解决呢?

    在GS之间并一个电阻.

     

    那么仿真的结果呢:

     

    几乎为0V.



  • sometimes

    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?

    假如驱动是个理想脉冲源,那么其驱动能力就是无穷大,想提供多大电流就给多大。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,最多能提供的峰值电流就是1A,通常也认为其驱动能力为1A。


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

     

    驱动电阻的作用,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作用。但是通常,现在的PCB走线都很紧凑,走线电感非常小。

    第二个,重要作用就是调解驱动器的驱动能力,调节开关速度。当然只能降低驱动能力,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。

      

    红色波形为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,特别在处理米勒效应的时候,驱动电压上升很缓慢。


    下图,是驱动的下降沿 



    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:

     

    红色的是R3=1欧姆,绿色的是R3=100欧姆。可见R3越大,MOS的导通速度越慢。



    下图是电流波形

     

    红色的是R3=1欧姆,绿色的是R3=100欧姆。可见R3越大,MOS的导通速度越慢。


    可以看到,驱动电阻增加可以降低MOS开关的时候得电压电流的变化率。比较慢的开关速度,对EMI有好处。下图是对两个不同驱动情况下,MOS的DS电压波形做付利叶分析得到

     

    红色的是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。


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

     

    红色的是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。

    所以只能一个折中的选择了。


    那如果,开通和关断的速度要分别调节,怎么办?就用以下电路。



  • sometimes

    MOSFET的自举驱动.

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

    但是对于一些拓扑,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,那么可以采用自举驱动电路。


    看下图的BUCK电路:

    加入输入12V,MOS的导通阀值为3V,那么对于Q1来说,当Q1导通之后,如果要维持导通状态,Q1的G级必须保证15V以上的电压,因为S级已经有12V了。

    那么输入才12V,怎么得到15V的电压呢?

    其实上管Q1驱动的供电在于 Cboot。


    看下图,芯片的内部结构:

     

    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信号在提供给驱动的时候,还需要Level shift电路,把信号的电平电压也提上去。


    Buck电路,现在有太多的控制芯片集成了自举驱动,让整个设计变得很简单。但是对于,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,可以采用Intersil公司的ISL21XX,HIP21XX系列。如果是AC/DC中,电压比较高的,可以采用IR的IR21XX系列。

    下图是ISL21XX的内部框图。

     

    其核心的东西,就是红圈里的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,没有完整的外围电路,但是外围其实很简单,参考datasheet即可。



  • sometimes

    隔离驱动。当控制和MOS处于电气隔离状态下,自举驱动就无法胜任了,那么就需要隔离驱动了。下面来讨论隔离驱动中最常用的,变压器隔离驱动。

    看个最简单的隔离驱动电路,被驱动的对象是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。

     

    红色波形为驱动源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。

    为什么驱动电压会下降呢,是因为V1的电压直流分量,完全被C1阻挡了。所以C1也称为隔直电容。

    下图为C1上的电压。

     

    其平均电压为6V,但是峰峰值,却有2V,显然C1不够大,导致驱动信号最终不够平。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。驱动信号就如下图:

     

    驱动信号显得更为平缓。


    从这里可以看到,这种驱动,有个明显的特点,就是驱动电平,最终到达MOS的时候,电压幅度减小了,具体减小多少呢,应该是D*V,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

     

    发现驱动到达MOS的时候,正压不到2V了。显然这种驱动不适合占空比大的情况。


    从上面可以看到,在驱动工作的时候,其实C1上面始终有一个电压存在,电压平均值为

    V*D,也就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?

    下面模拟驱动突然掉电的情况:

     

    可见,在驱动突然关掉之后,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。


    那么如何来降低这个震荡呢,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。




  • sometimes

    如何传递大占空比的驱动:

    看一个简单的驱动电路。


    当D=0.9的时候

     

    红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,也会出现震荡。

     

    而且似乎这个问题比上面的电路还严重。


    下面尝试降低这个震荡,首先把R5改为1K

     

    确实有改善,但问题还是严重,继续在C2上并一个1K的电阻。

     

    绿色的波形,确实更改善了一些,但是问题还是存在。这是个可靠性的隐患。


    对于这个问题如何解决呢?可以采用soft stop的方式来关机。soft stop其实就是soft start的反过程,就是在关机的时候,让驱动占空比从大往小变化,直到关机。很多IC已经集成了该功能。

     

    可看到,驱动信号在关机的时候,没有了上面的那些震荡。



  • sometimes

    对于半桥,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?


    采用一拖二的方式,可以来驱动两个管子。

    下图,是两个驱动源的波形:

     

    通过变压器传递之后,到达MOS会变成如下:

     



  • sometimes

    在有源钳位,不对称半桥,以及同步整流等场合,需要一对互补的驱动,那么怎么用一路驱动来产生互补驱动,并且形成死区。可用下图。 

    波形如下图:

     


  • sometimes

    MOSFET的并联驱动,由于MOS经常采用并联的方式工作,那么驱动又该如何设计呢?

    是这样 

    还是这样?

    MOS并联,对驱动的一致性要求就很高了,如果导通,关断时间不一致,会导致其中一个MOS开关损耗剧增。所以在软开关电路上,用MOS并联问题比较少,但是硬开关电路,就要小心了。下面用仿真来看现象,假设两个MOS并联,而且MOS的参数完全一样。

    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

    基本上还算一致。

     

    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,均出现剧烈震荡。








  • sometimes

    Pmos的驱动:

    下图为Pmos

     

    Pmos要求GS的电压是负的,也就是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必须维持负压才能导通。

    而GS的耐压是很低的,这就很麻烦了。一般在电源中最常见的Pmos应用,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,可以采用下图驱动方式:

     

    那么波形可见:

      


精彩补充
  • dulai1985

    米勒效应(Miller effect)是在电子学中,反相放大电路中,输入与输出之间的分布电容或寄生电容由于放大器的放大作用,其等效到输入端的电容值会扩大1+K倍,其中K是该级放大电路电压放大倍数。虽然一般密勒效应指的是电容的放大,但是任何输入与其它高放大节之间的阻抗也能够通过密勒效应改变放大器的输入阻抗。 米勒效应是以约翰·米尔顿·密勒命名的。1919年或1920年密勒在研究真空管三极管时发现了这个效应,但是这个效应也适用于现代的半导体三极管。[1]

    降低米勒效应的措施

      可以采用平衡法(或中和法)等技术来适当地减弱密勒电容的影响。   平衡法即是在输出端与输入端之间连接一个所谓中和电容,并且让该中和电容上的电压与密勒电容上的电压相位相反,使得通过中和电容的电流恰恰与通过密勒电容的电流方向相反,以达到相互抵消的目的。

    密勒效应的不良影响

      密勒电容对器件的频率特性有直接的影响。   例如,对于BJT:在共射(CE)组态中,集电结电容势垒电容正好是密勒电容,故CE组态的工作频率较低。 对于MOSFET:在共源组态中,栅极与漏极之间的覆盖电容Cdg是密勒电容,Cdg正好跨接在输入端(栅极)与输出端(漏极)之间,故密勒效应使得等效输入电容增大,导致频率特性降低。

    密勒效应的好处

      ① 采用较小的电容来获得较大的电容(例如制作频率补偿电容),这种技术在IC设计中具有重要的意义(可以减小芯片面积);   ② 获得可控电容 (例如受电压或电流控制的电容) 。
  • xzszrs

    这个电路的神奇之处就是采用了D1的电平平移电路,使负电平平移到接近0V!相对而言提高了正向电平(绝对值电平是不变的)。进一步发挥的话D1可以改为两个背靠背的稳压二极管,比如上管为15V,下管为5V,这样可以提供+15V,-5V的驱动电平驱动IGBT.当然次级加上一个由P三极管组成的放电回路就更好了。
  • 高新电子

    我也刚试过反接保护电路,1000W的JJ用的一个190N08,源极S接板子负极输入端,漏极D接的负电源,手控开关控制190N08的G极,正极直接变压器,接上电源后,过了几秒钟,还没有按开关JJ就工作了,这说明场管直通了,后来把DS调过来接上还是一样,真是奇怪!刚看到楼主的贴子,原来是要在场管的G S间并一个电阻才可解决,真是受教了!
精彩问答
  • edifierwjq
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    有问题想请教下楼主,最近在调试全桥电路,发现当输入电压加到100V的时候驱动波形就不对了,Vgs会出现一个跌落,如示波器截图所示,输入电压再升高一些就会出现桥臂直通的情况,同一桥臂的两个管子就烧掉了。我是利用光耦A3120来驱动桥臂的四个开关管的。希望得到您的帮助,谢谢了!
  • sometimes

    你的波形呢?

    有可能是驱动能力不够

  • edifierwjq

    不好意思,第一次来咱们论坛,还没搞清楚如何上传图片,等下就上传上去。究竟怎样定义电源的驱动能力呢?A3120的电流驱动能力是2A,电压源用的是实验室那种很笨重的直流源,其电流输出能力为3A,应该够驱动MOSFET了吧?最近我也在学习有关MOSFET的特性及驱动技术,看得有些头大,希望能够得到您的帮助。

     

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