详解mosfet的驱动技术及应用

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1、详解 MOSFET 的驱动技术及应用 1 / 12 详解详解 MOSFET 的驱动技术及应用的驱动技术及应用 2011-01-14 15:32:34 文章来源：OFweek 电子工程网 http:/ 导读: 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。 关键字: MOSFET 驱动 应用 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

2、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？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。 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

3、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. 详解 MOSFET 的驱动技术及应用 2 / 12 那么仿真的结果呢： 几乎为 0V. 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。

4、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。 详解 MOSFET 的驱动技术及应用 3 / 12 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

5、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 同样标称 7A 的 mos，不同的厂家，不同的器件，参数是不一样的。所以没有什么公式可以去计算。 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： 详解 MOSFET 的驱动技术及应用 4 / 12 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

6、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。 详解 MOSFET 的驱动技术及应用 5 / 12 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

7、节，怎么办？就用以下电路。 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

8、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： 详解 MOSFET 的驱动技术及应用 6 / 12 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

9、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。 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

10、不要超过原先值的 10%， 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。 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。 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。 详解 MOSFET 的驱动技术及应用 7 / 12 看个最简单的隔离驱动电路，被驱动的对象是 Q1。 其实

11、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。 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-

12、G 的电压波形就变成如下： 详解 MOSFET 的驱动技术及应用 8 / 12 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

13、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： 详解 MOSFET 的驱动技术及应用 9 / 12 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。 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 详解 MOSFET 的驱动技术及应用 10 / 12 红色波形为驱动源输出，绿色为到达 MOS 的

14、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。 详解 MOSFET 的驱动技术及应用 11 / 12 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。 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： 详解 MOSFET 的驱动技术及应用 12 / 12 通过变压器传递之后，到达 MOS 会变成如下： 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：