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1、MOSFET 的驱动技术详解1、简介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？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：R1IRF530zlqi-g .: Q1.去探测G极的电压，发现电压波形如下:4.02G
2、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.1KR1300V1IRF532-Q1-Gbi那么仿真的结果呢？几乎为0V。2、驱动能力和驱动电阻什么叫驱动能力，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
3、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 能提咼。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。十十红色
4、波形为R3=l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=l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。k-A 二
5、口丄e.Enudt.a1rfFrecfjency/MHerlz红色的是R3=l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。/、/l/IJI/rJU.” -r .400.14OJ.340144LO.5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。D11DO旨IRF5：20kF
6、?2100R1100R6网 D1N414E100IRF5：20 k3、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：Typical Application Diagram%+WTD*12V匚 BU LKCOMPENTGATEISL61O5BOOTBGA：TE：B&DC iID T加入输入12V, MOS的导通阀值
7、为3V,那么对于QI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。B
8、uck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。 口其核心的东西，就是红圈里的boot二极管，和Level shift电路。 驱动双管电路：+12VMSVISOLATIONSECONDARY CIRCUIT1ISL2110ISL2111inyuaion驱动有源钳位示意图:F，GUREconverter wi
9、th an active-cip jiariyuanxom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%，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
10、是二极管，要超快的，而且耐压要够。电流 不用太大，1A足够。4、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。11-1 uu nII- P1 ClJ ol.1i aiI10p;驱动源参数为12V, lOOKHz, 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
11、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。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。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：Time/mSecs1OuSecs/div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：Qi_rrIj jlV.rs7斗-1n1TS-4-Jl-ij-i_r iri
