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開關(guān)電源設(shè)計中MOSFET驅(qū)動技術(shù)詳解

鉅大LARGE  |  點擊量：965次  |  2020年05月19日  

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。本文會來解析MOSFET的驅(qū)動技術(shù)。首先，來做一個實驗，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？很多工程師都了解，MOS會導(dǎo)通甚至擊穿。這是為何呢？因為根本沒有加驅(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，這是因為MOSFET的寄生參數(shù)在搗鬼。


這種情況有什么危害呢？實際情況下，MOS肯定有驅(qū)動電路的么，要么導(dǎo)通，要么關(guān)掉。問題就出在開機或者關(guān)機的時候，最重要是開機的時候，此時驅(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，想供應(yīng)多大電流就給多大。但實際中，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，最多能供應(yīng)的峰值電流就是1A，通常也認(rèn)為其驅(qū)動能力為1A。


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)動電阻的用途，假如驅(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用途。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，重要用途就是調(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?？梢钥吹?，當(dāng)R3比較大時，驅(qū)動就有點力不從心了，特別在處理米勒效應(yīng)的時候，驅(qū)動電壓上升很緩慢。


下圖，是驅(qū)動的下降沿


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?？梢奟3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?？梢奟3越大，MOS的導(dǎo)通速度越慢。


可以看到，驅(qū)動電阻新增可以降低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R3=100歐姆?？梢?，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?？梢?，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。


那假如，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。


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