MOSFET的驱动技术详解

1MOSFET的驱动技术详解simtriex/simplis仿真电路用软件MOSFET作为功率开关管，已经是是开关电源领域的绝对主力器件。虽然MOSFET作为电压型驱动器件，其驱动表面上看来是非常简单，但是详细分析起来并不简单。下面我会花一点时间，一点点来解析MOSFET的驱动技术，以及在不同的应用，应该采用什么样的驱动电路。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？我根本没有加驱动电压，MOS怎么会导通？用下面的图1，来做个仿真；去探测G极的电压，发现电压波形如图2所示。图1图2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。其仿真的结果如图4。几乎为0V。图3图42什么叫驱动能力，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5的R3。图5对上图进行仿真，R3分别取1欧姆，和100欧姆。下图6是MOS的G极的电压波形上升沿。图7是驱动的下降沿(G极电压)。图6图7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。3那么驱动的快慢对MOS的开关有什么影响呢？下图8是MOS导通时候DS的电压：图9是MOS导通时候DS电流波形：图8图9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10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：图10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。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。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。4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11是不同驱动电阻下，导通损耗的功率曲线。图11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？就用以下电路图12、图13。图12图13MOSFET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：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。5图14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15，芯片的内部结构：图15Cboot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Levelshift电路，把信号的电平电压也提上去。6Buck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16是ISL21XX的内部框图，其核心的东西，就是红圈里的boot二极管，和Levelshift电路：图16ISL21XX驱动桥式电路示意图：7驱动双管电路图17：图17驱动有源钳位如图18：图18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。zgthsx：LZ是那个电压对电容充电啊会冲到多少负啊有是怎么冲的能不能解释一下啊？echizen20：同过CBOOT的的升压？？是不是自举升压的道理呢？tq5920：楼主您好，说道自举电路，我想请教一般自举电容和二极管应该如何选择？有什么特别要求吗？谢谢！sometimes：自举电容主要在于其大小，该电容在充电之后，就要对MOS的结电容充电，如果驱动电路上有其他功耗器件，也是该电容供电的。所以要求该电容足够大，在提供电荷之后，电容上的电压下跌最好不要超过原先值的10%，8这样才能保证驱动电压。但是也不用太大，太大的电容会导致二极管在充电的时候，冲击电流过大。对于二极管，由于平均电流不会太大，只要保证是快速二极管。当然，当自举电压比较低的时候，这个二极管的正向压降，尽量选小的。tq5920：请问您有没有用过IR2110或IR2111芯片，在高频时，自举电容和二极管应该如何选择？谢谢！sometimes：电容没什么，磁片电容，几百n就可以了。但是二极管，要超快的，而且耐压要够。电流不用太大，1A足够。leetao365366：楼主，请教您个问题。一般用MOS管驱动电机要注意哪些细节问题啊。其实MOS只是作为开关管，需要注意的是电机是感性器件，还有电机启动时候的冲击电流。还有堵转时候的的启动电流。(变压器)隔离驱动lingqidian：详细的讲讲隔离驱动吧，在正激拓扑中，我常见到驱动信号连接到一个推挽对管，然后连接一个2R左右的电阻及一个电容然后连接到变压器的初级端，在变压器的次级端输出驱动信号给MOS，这种驱动方式的优点？变压器初级串联的电阻及电容如何设计？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。Ez八度：很好很实用的东西，对我们这样的只知道要加下拉电阻不知道其作用的人来说很好懂，期待旅长更多看似很基础实际很受用的课程edifierwjq：请问在大功率的系统中如果有几个开关管并联，还能用上文介绍的那些高端驱动芯片来驱动吗？sometimes：可以的，但是你要选择驱动能力强的IC。看个最简单的隔离驱动电路，被驱动的对象是Q1。图199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。图20下图21为C1上的电压。图21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图22：图22图23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。10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。驱动信号就如上图23。驱动信号显得更为平缓。lingqidian：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。请问这句话怎么理解，C1如果增大的话，由于对C1的存放电，驱动信号到G极后应该会更平滑，上升及下降都会变慢吧？但看你的仿真图好像更好了？串接R、C的取值如何计算？或者选择？sometimes：C1大的话，C1上的电压就会比较平稳，波动比较小，那么对驱动的影响就会变小。smallmore：楼主，我做了一个全桥的驱动，上面的不是平的，而是有一圆弧型的包包，再斜斜的下来，最后有一小段是平的，加大电容怎么调都是这样，是怎么回事呀？请赐教！！谢谢！sometimes：这个可能和你的驱动变压器的漏感有关系。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24，D=0.9图24图25图24中，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，如图25：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管，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26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。图2611如何传递大占空比的驱动?看一个简单的驱动电路。图27：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。hsym_101584：“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!“这句话该怎么理解呢？hsym_101584：比如占空比D=0.9，输入电压Vin=10V，那么此时原边的隔直电容上的直流压降为D*Vin=9V，原边绕组上的压降为1V。当输入电平为低的时候，原边隔直电容9V加在原边绕组上，感应到副边为下正上负，通过二极管D1给电容C2充电，C2充满后为左负右正，9V。当输入电平变高时，原边绕组电压为1V，上正下负，感应到副边，使副边绕组压降跳变到上正下负，1V。由于电容C2两端电压不能突变，要保持9V的压差，所以C2右端的电压变为1+9=10V。图27当D=0.9的时候，如图28图28同样，这个电路在驱动掉电的时候，比如关机，也会出现震荡，如图29。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，如图30。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。12图29图30确实有改善，但问题还是严重，继续在C2上并一个1K的电阻。如图31：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softstop的方式来关机。softstop其实就是softstart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。图31图32半桥全桥驱动对于半桥，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？如图33：采用一拖二的方式，可以来驱动两个管子。下图3313图34是两个驱动源的波形；通过变压器传递之后，到达MOS会变成如图35的波形：图34图35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36；其波