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開關電源設計中MOSFET驅動技術詳解

鉅大LARGE  |  點擊量：967次  |  2020年05月19日  

MOSFET作為功率開關管，已經是是開關電源領域的絕對主力器件。雖然MOSFET作為電壓型驅動器件，其驅動表面上看來是非常簡單，但是詳細分析起來并不簡單。本文會來解析MOSFET的驅動技術。首先，來做一個實驗，把一個MOSFET的G懸空，然后在DS上加電壓，那么會出現什么情況呢？很多工程師都了解，MOS會導通甚至擊穿。這是為何呢？因為根本沒有加驅動電壓，MOS怎么會導通？用下面的圖，來做個仿真：


去探測G極的電壓，發現電壓波形如下：


G極的電壓居然有4V多，難怪MOSFET會導通，這是因為MOSFET的寄生參數在搗鬼。


這種情況有什么危害呢？實際情況下，MOS肯定有驅動電路的么，要么導通，要么關掉。問題就出在開機或者關機的時候，最重要是開機的時候，此時驅動電路還沒上電。但是輸入上電了，由于驅動電路沒有工作，G級的電荷無法被釋放，就容易導致MOS導通擊穿。那么怎么解決呢？


在GS之間并一個電阻


那么仿真的結果呢:


幾乎為0V。什么叫驅動能力？


很多pWM芯片或者專門的驅動芯片都會說驅動能力，比如384X的驅動能力為1A，其含義是什么呢？


假如驅動是個理想脈沖源，那么其驅動能力就是無窮大，想供應多大電流就給多大。但實際中，驅動是有內阻的，假設其內阻為10歐姆，在10V電壓下，最多能供應的峰值電流就是1A，通常也認為其驅動能力為1A。


什么叫驅動電阻呢？


通常驅動器和MOS的G極之間，會串一個電阻，就如下圖的R3。


驅動電阻的用途，假如驅動走線很長，驅動電阻可以對走線電感和MOS結電容引起的震蕩起阻尼用途。但是通常，現在的pCB走線都很緊湊，走線電感非常小。


第二個，重要用途就是調解驅動器的驅動能力，調節開關速度。當然只能降低驅動能力，而不能提高。


對上圖進行仿真，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。可以看到，當R3比較大時，驅動就有點力不從心了，特別在處理米勒效應的時候，驅動電壓上升很緩慢。


下圖，是驅動的下降沿


那么驅動的快慢對MOS的開關有什么影響呢？下圖是MOS導通時候DS的電壓：


紅色的是R3=1歐姆，綠色的是R3=100歐姆。可見R3越大，MOS的導通速度越慢。


下圖是電流波形


紅色的是R3=1歐姆，綠色的是R3=100歐姆。可見R3越大，MOS的導通速度越慢。


可以看到，驅動電阻新增可以降低MOS開關的時候得電壓電流的變化率。比較慢的開關速度，對EMI有好處。下圖是對兩個不同驅動情況下，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。可見，驅動電阻大的時候，高頻諧波明顯變小


但是驅動速度慢，又有什么壞處呢？那就是開關損耗大了，下圖是不同驅動電阻下，導通損耗的功率曲線。


紅色的是R3=1歐姆，綠色的是R3=100歐姆。可見，驅動電阻大的時候，損耗明顯大了。


結論：驅動電阻到底選多大？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，開通和關斷的速度要分別調節，怎么辦？就用以下電路。


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