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    開關電源設計中MOSFET驅動技術詳解

    2021-04-26 ryder

    MOSFET作為功率開關管,已經是是開關電源范疇的絕對主力器件。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,但是具體分解起來并不簡單。本文會來介紹MOSFET的驅動技術。首先,來做一個試驗,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?很多工程師都知道,MOS會導通甚至擊穿。這是為甚么呢?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:


    去檢測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。


    這種情況有哪些危害呢?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,最緊要是開機的時候,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。那么怎么處理呢?


    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,其含義有哪些呢?


    倘若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,倘若驅動走線很長,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,今朝的pCB走線都很緊湊,走線電感非常小。


    第二個,緊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,特別在解決米勒效應的時候,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的開關有哪些影響呢?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解得到


    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,高頻諧波分明變小


    但是驅動速度慢,又有哪些壞處呢?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,損耗分明大了。


    結論:驅動電阻究竟選多大?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。


    那倘若,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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