mosfet的驅(qū)動為什么要慢開快關(guān) mosfet的驅(qū)動保護電路的設(shè)計？很多人不了解，今天各百科為大家?guī)硐嚓P(guān)內(nèi)容，下面小編為大家整理介紹。

作為功率開關(guān)管，MOSFET是開關(guān)電源領(lǐng)域絕對的主力器件。雖然MOSFET作為電壓驅(qū)動器件，表面上看很簡單，但要詳細分析并不容易。我會花一點時間來分析MOSFET的驅(qū)動技術(shù)，以及不同的應(yīng)用應(yīng)該采用什么樣的驅(qū)動電路。

首先，我們來做一個實驗。讓MOSFET的G懸空，然后對DS施加一個電壓。會發(fā)生什么？很多工程師都知道MOS會開甚至?xí)摹＿@是為什么呢？因為我根本沒有施加驅(qū)動電壓，MOS怎么會導(dǎo)通？使用下圖進行模擬：

為了檢測G極的電壓，電壓波形如下：

G極電壓超過4V，難怪MOSFET會導(dǎo)通。這是因為MOSFET的寄生參數(shù)在作怪。

關(guān)于MOSFET寄生參數(shù)的描述，請參考蜘蛛老師的帖子：https://pic.qubaike.com/pic/2023-03-26/rc5gsbz03fv

這種情況的危害是什么？實際上，MOS必須有一個驅(qū)動電路，要么開，要么關(guān)。問題在于啟動，或者說關(guān)機，最重要的是啟動。此時你的驅(qū)動電路還沒有通電。但輸入上電時，由于驅(qū)動電路不工作，G級電荷無法釋放，容易導(dǎo)致MOS導(dǎo)通擊穿。那么如何解決呢？

在GS之間連接一個電阻。

模擬結(jié)果呢？

差不多0V。

什么是駕駛能力？很多PWM芯片或者專用驅(qū)動芯片都會說驅(qū)動能力。例如，384X的驅(qū)動能力是1A。它的含義是什么？

如果驅(qū)動器是一個理想的脈沖源，那么它的驅(qū)動能力是無限的，它想提供多少電流就能提供多少電流。然而，在實踐中，驅(qū)動器具有內(nèi)阻，假設(shè)其內(nèi)阻為10歐姆。在10V電壓下，能提供的最大峰值電流為1A，一般認為其驅(qū)動能力為1A。

驅(qū)動電阻是什么？通常在驅(qū)動器和MOS的G極之間串聯(lián)一個電阻，就像下圖中的R3。

驅(qū)動電阻的作用。如果驅(qū)動走線很長，驅(qū)動電阻可以抑制走線電感和MOS結(jié)電容引起的沖擊。但是現(xiàn)在的PCB布線很緊湊，布線電感很小。

第二，重要的作用是調(diào)節(jié)駕駛員的駕駛能力，調(diào)節(jié)切換速度。當然只能降低駕駛能力，不能提高。

上圖模擬，R3分別為1歐姆和100歐姆。下圖顯示了MOS G極電壓波形的上升沿。

紅色波形為R3=1歐姆，綠色波形為R3=100歐姆?？梢钥闯?，R3比較大的時候，驅(qū)動力有點吃不消，尤其是處理米勒效應(yīng)的時候，驅(qū)動電壓上升比較慢。

下圖顯示了驅(qū)動器的下降沿。

那么驅(qū)動速度對MOS的開關(guān)有什么影響呢？下圖顯示了MOS開啟時DS的電壓：

紅色的是R3=1歐姆，綠色的是R3=100歐姆?？梢钥闯?，R3越大，MOS的導(dǎo)通速度越慢。

下面是電流波形。

紅色的是R3=1歐姆，綠色的是R3=100歐姆?？梢钥闯?，R3越大，MOS的導(dǎo)通速度越慢。

你可以看到。

到，驅(qū)動電阻增加可以降低MOS開關(guān)的時候得電壓電流的變化率。比較慢的開關(guān)速度，對EMI有好處。下圖是對兩個不同驅(qū)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?？梢姡?qū)動電阻大的時候，高頻諧波明顯變小。

但是驅(qū)動速度慢，又有什么壞處呢？那就是開關(guān)損耗大了，下圖是不同驅(qū)動電阻下，導(dǎo)通損耗的功率曲線。

　　

紅色的是R3=1歐姆，綠色的是R3=100歐姆?？梢?，驅(qū)動電阻大的時候，損耗明顯大了。

結(jié)論：驅(qū)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。

那如果，開通和關(guān)斷的速度要分別調(diào)節(jié)，怎么辦？就用以下電路。

　　

MOSFET的自舉驅(qū)動.

對于NMOS來說，必須是G極的電壓高于S極一定電壓才能導(dǎo)通。那么對于對S極和控制IC的地等電位的MOS來說，驅(qū)動根本沒有問題，如上圖。

但是對于一些拓撲，比如BUCK（開關(guān)管放在上端），雙管正激，雙管反激，半橋，全橋這些拓撲的上管，就沒辦法直接用芯片去驅(qū)動，那么可以采用自舉驅(qū)動電路。

看下圖的BUCK電路：

　　

加入輸入12V，MOS的導(dǎo)通閥值為3V，那么對于Q1來說，當Q1導(dǎo)通之后，如果要維持導(dǎo)通狀態(tài)，Q1的G級必須保證15V以上的電壓，因為S級已經(jīng)有12V了。

那么輸入才12V，怎么得到15V的電壓呢？

其實上管Q1驅(qū)動的供電在于 Cboot。

看下圖，芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：

　　

Cboot是掛在boot和LX之間的，而LX卻是下管的D級，當下管導(dǎo)通的時候，LX接地，芯片的內(nèi)部基準通過Dboot（自舉二極管）對Cboot充電。當下管關(guān)，上管通的時候，LX點的電壓上升，Cboot上的電壓自然就被舉了起來。這樣驅(qū)動電壓才能高過輸入電壓。

當然芯片內(nèi)部的邏輯信號在提供給驅(qū)動的時候，還需要Level shift電路，把信號的電平電壓也提上去。

Buck電路，現(xiàn)在有太多的控制芯片集成了自舉驅(qū)動，讓整個設(shè)計變得很簡單。但是對于，雙管的，橋式的拓撲，多數(shù)芯片沒有集成驅(qū)動。那樣就可以外加自舉驅(qū)動芯片，48V系統(tǒng)輸入的，可以采用Intersil公司的ISL21XX，HIP21XX系列。如果是AC/DC中，電壓比較高的，可以采用IR的IR21XX系列。

下圖是ISL21XX的內(nèi)部框圖。

　　

其核心的東西，就是紅圈里的boot二極管，和Level shift電路

ISL21XX驅(qū)動橋式電路示意圖：

　　

驅(qū)動雙管電路：

　　

驅(qū)動有源鉗位示意圖：

　　

當然以上都是示意圖，沒有完整的外圍電路，但是外圍其實很簡單，參考datasheet即可。

隔離驅(qū)動。當控制和MOS處于電氣隔離狀態(tài)下，自舉驅(qū)動就無法勝任了，那么就需要隔離驅(qū)動了。下面來討論隔離驅(qū)動中最常用的，變壓器隔離驅(qū)動。

看個最簡單的隔離驅(qū)動電路，被驅(qū)動的對象是Q1。

　　

驅(qū)動源參數(shù)為12V ，100KHz， D=0.5。

驅(qū)動變壓器電感量為200uH，匝比為1：1。

　　

紅色波形為驅(qū)動源V1的輸出，綠色為Q1的G級波形。可以看到，Q1-G的波形為具有正負電壓的方波，幅值6V了。

為什么驅(qū)動電壓會下降呢，是因為V1的電壓直流分量，完全被C1阻擋了。所以C1也稱為隔直電容。

下圖為C1上的電壓。

　　

其平均電壓為6V，但是峰峰值，卻有2V，顯然C1不夠大，導(dǎo)致驅(qū)動信號最終不夠平。那么把C1變?yōu)?70n。Q1-G的電壓波形就變成如下：

　　

驅(qū)動電壓變得平緩了些。如果把驅(qū)動變壓器的電感量增加到500uH。驅(qū)動信號就如下圖：

　　

驅(qū)動信號顯得更為平緩。

從這里可以看到，這種驅(qū)動，有個明顯的特點，就是驅(qū)動電平，最終到達MOS的時候，電壓幅度減小了，具體減小多少呢，應(yīng)該是D*V,D為占空比，那么如果D很大的話，驅(qū)動電壓就會變得很小，如下圖，D=0.9

　　

發(fā)現(xiàn)驅(qū)動到達MOS的時候，正壓不到2V了。顯然這種驅(qū)動不適合占空比大的情況。

從上面可以看到，在驅(qū)動工作的時候，其實C1上面始終有一個電壓存在，電壓平均值為

V*D，也就是說這個電容存儲著一定的能量。那么這個能量的存在，會帶來什么問題呢？

下面模擬驅(qū)動突然掉電的情況：

　　

可見，在驅(qū)動突然關(guān)掉之后，C1上的能量，會引起驅(qū)動變的電感，C1以及mos的結(jié)電容之間的諧振。如果這個諧振電壓足夠高的話，就會觸發(fā)MOS，對可靠性帶來危害。

那么如何來降低這個震蕩呢，在GS上并個電阻，下圖是并了1K電阻之后波形：

　　

但是這個電阻會給驅(qū)動帶來額外的損耗。

如何傳遞大占空比的驅(qū)動：

看一個簡單的驅(qū)動電路。

　　

當D=0.9的時候

　　

紅色波形為驅(qū)動源輸出，綠色為到達MOS的波形?；颈３至蓑?qū)動源的波形。

同樣，這個電路在驅(qū)動掉電的時候，比如關(guān)機，也會出現(xiàn)震蕩。

　　

而且似乎這個問題比上面的電路還嚴重。

下面嘗試降低這個震蕩，首先把R5改為1K

　　

確實有改善，但問題還是嚴重，繼續(xù)在C2上并一個1K的電阻。

　　

綠色的波形，確實更改善了一些，但是問題還是存在。這是個可靠性的隱患。

對于這個問題如何解決呢？可以采用soft stop的方式來關(guān)機。soft stop其實就是soft start的反過程，就是在關(guān)機的時候，讓驅(qū)動占空比從大往小變化，直到關(guān)機。很多IC已經(jīng)集成了該功能。

　　

可看到，驅(qū)動信號在關(guān)機的時候，沒有了上面的那些震蕩。

對于半橋，全橋的驅(qū)動，由于具有兩相驅(qū)動，而且相位差為180度，那么如何用隔離變壓器來驅(qū)動呢？

　　

采用一拖二的方式，可以來驅(qū)動兩個管子。

下圖，是兩個驅(qū)動源的波形：

　　

通過變壓器傳遞之后，到達MOS會變成如下：

　　

在有源鉗位，不對稱半橋，以及同步整流等場合，需要一對互補的驅(qū)動，那么怎么用一路驅(qū)動來產(chǎn)生互補驅(qū)動，并且形成死區(qū)?？捎孟聢D。

　　

波形如下圖：

　　

MOSFET的并聯(lián)驅(qū)動，由于MOS經(jīng)常采用并聯(lián)的方式工作，那么驅(qū)動又該如何設(shè)計呢？

是這樣

　　

還是這樣？

　　

MOS并聯(lián)，對驅(qū)動的一致性要求就很高了，如果導(dǎo)通，關(guān)斷時間不一致，會導(dǎo)致其中一個MOS開關(guān)損耗劇增。所以在軟開關(guān)電路上，用MOS并聯(lián)問題比較少，但是硬開關(guān)電路，就要小心了。下面用仿真來看現(xiàn)象，假設(shè)兩個MOS并聯(lián)，而且MOS的參數(shù)完全一樣。

但是驅(qū)動走線的寄生參數(shù)有很大不同。

　　

R2，R4，L1，L2都為驅(qū)動走線的寄生參數(shù)。那么下圖為，導(dǎo)通時候，兩個mos的電流

基本上還算一致。

　　

接下去，把兩個驅(qū)動電阻并聯(lián)起來一起去驅(qū)動兩MOS，

　　

再看導(dǎo)通時候的電流波形：

　　

兩管子的電流波形，均出現(xiàn)劇烈震蕩。

Pmos的驅(qū)動：

下圖為Pmos

　　

Pmos要求GS的電壓是負的，也就是G的電壓要比S的低，才能導(dǎo)通。那么，如果SD承受高壓，G只要比S的電壓低一點就能導(dǎo)通，但是一旦SD導(dǎo)通，G必須維持負壓才能導(dǎo)通。

而GS的耐壓是很低的，這就很麻煩了。一般在電源中最常見的Pmos應(yīng)用，就有有源鉗位

有源鉗位的Pmos，是S級接地的，那么要保持導(dǎo)通，G級必須要有負壓才行。那么如何產(chǎn)生負壓呢，可以采用下圖驅(qū)動方式：

　　

那么波形可見：