解析mosfet的驱动技术及应用(rg-自举)

《解析mosfet的驱动技术及应用(rg-自举)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《解析mosfet的驱动技术及应用(rg-自举)（29页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、解析解析 MOSFETMOSFET 的驱动技术及应用的驱动技术及应用 时间:2010 年 11 月 08 日 字 体: 大 中 小 关键词关键词: :驱动电路驱动电路 MOSFETMOSFET 走线走线自举自举结电容结电容 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

2、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

3、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。 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

4、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。 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

5、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 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

6、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 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

7、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

8、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。 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

9、，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，L

10、X 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

11、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 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。 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

12、%，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。 看个最简单的隔离驱动电路，被驱动的对象是 Q1。 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

13、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-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

14、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

15、 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 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

16、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。 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： 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：