开关电源设计中MOSFET驱动技术详解

2020-05-19      939 次浏览

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。本文会来解析MOSFET的驱动技术。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?很多工程师都了解,MOS会导通甚至击穿。这是为何呢?因为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,最重要是开机的时候,此时驱动电路还没上电。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,想供应多大电流就给多大。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,最多能供应的峰值电流就是1A,通常也认为其驱动能力为1A。


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。


驱动电阻的用途,假如驱动走线很长,驱动电阻可以对走线电感和MOS结电容引起的震荡起阻尼用途。但是通常,现在的pCB走线都很紧凑,走线电感非常小。


第二个,重要用途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


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=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,驱动电阻新增可以降低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。


那假如,开通和关断的速度要分别调节,怎么办?就用以下电路。


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