mosfet的驱动为什么要慢开快关 mosfet的驱动保护电路的设计

mosfet的驱动为什么要慢开快关 mosfet的驱动保护电路的设计？很多人不了解，今天趣百科为大家带来相关内容，下面小编为大家整理介绍。

作为功率开关管，MOSFET是开关电源领域绝对的主力器件。虽然MOSFET作为电压驱动器件，表面上看很简单，但要详细分析并不容易。我会花一点时间来分析MOSFET的驱动技术，以及不同的应用应该采用什么样的驱动电路。

首先，我们来做一个实验。让MOSFET的G悬空，然后对DS施加一个电压。会发生什么？很多工程师都知道MOS会开甚至会坏。这是为什么呢？因为我根本没有施加驱动电压，MOS怎么会导通？使用下图进行模拟：

为了检测G极的电压，电压波形如下：

G极电压超过4V，难怪MOSFET会导通。这是因为MOSFET的寄生参数在作怪。

关于MOSFET寄生参数的描述，请参考蜘蛛老师的帖子：https://pic.qubaike.com/pic/2023-03-26/rc5gsbz03fv

这种情况的危害是什么？实际上，MOS必须有一个驱动电路，要么开，要么关。问题在于启动，或者说关机，最重要的是启动。此时你的驱动电路还没有通电。但输入上电时，由于驱动电路不工作，G级电荷无法释放，容易导致MOS导通击穿。那么如何解决呢？

在GS之间连接一个电阻。

模拟结果呢？

差不多0V。

什么是驾驶能力？很多PWM芯片或者专用驱动芯片都会说驱动能力。例如，384X的驱动能力是1A。它的含义是什么？

如果驱动器是一个理想的脉冲源，那么它的驱动能力是无限的，它想提供多少电流就能提供多少电流。然而，在实践中，驱动器具有内阻，假设其内阻为10欧姆。在10V电压下，能提供的最大峰值电流为1A，一般认为其驱动能力为1A。

驱动电阻是什么？通常在驱动器和MOS的G极之间串联一个电阻，就像下图中的R3。

驱动电阻的作用。如果驱动走线很长，驱动电阻可以抑制走线电感和MOS结电容引起的冲击。但是现在的PCB布线很紧凑，布线电感很小。

第二，重要的作用是调节驾驶员的驾驶能力，调节切换速度。当然只能降低驾驶能力，不能提高。

上图模拟，R3分别为1欧姆和100欧姆。下图显示了MOS G极电压波形的上升沿。

红色波形为R3=1欧姆，绿色波形为R3=100欧姆。可以看出，R3比较大的时候，驱动力有点吃不消，尤其是处理米勒效应的时候，驱动电压上升比较慢。

下图显示了驱动器的下降沿。

那么驱动速度对MOS的开关有什么影响呢？下图显示了MOS开启时DS的电压：

红色的是R3=1欧姆，绿色的是R3=100欧姆。可以看出，R3越大，MOS的导通速度越慢。

下面是电流波形。

红色的是R3=1欧姆，绿色的是R3=100欧姆。可以看出，R3越大，MOS的导通速度越慢。

你可以看到。

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

　　

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。

那如果，开通和关断的速度要分别调节，怎么办？就用以下电路。

　　

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：

　　

加入输入12V，MOS的导通阀值为3V，那么对于Q1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。

Buck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。

　　

其核心的东西，就是红圈里的boot二极管，和Level shift电路

ISL21XX驱动桥式电路示意图：

　　

驱动双管电路：

　　

驱动有源钳位示意图：

　　

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。

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。

　　

驱动源参数为12V ，100KHz， 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。

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：

　　

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：

　　

但是这个电阻会给驱动带来额外的损耗。

如何传递大占空比的驱动：

看一个简单的驱动电路。

　　

当D=0.9的时候

　　

红色波形为驱动源输出，绿色为到达MOS的波形。基本保持了驱动源的波形。

同样，这个电路在驱动掉电的时候，比如关机，也会出现震荡。

　　

而且似乎这个问题比上面的电路还严重。

下面尝试降低这个震荡，首先把R5改为1K

　　

确实有改善，但问题还是严重，继续在C2上并一个1K的电阻。

　　

绿色的波形，确实更改善了一些，但是问题还是存在。这是个可靠性的隐患。

对于这个问题如何解决呢？可以采用soft stop的方式来关机。soft stop其实就是soft start的反过程，就是在关机的时候，让驱动占空比从大往小变化，直到关机。很多IC已经集成了该功能。

　　

可看到，驱动信号在关机的时候，没有了上面的那些震荡。

对于半桥，全桥的驱动，由于具有两相驱动，而且相位差为180度，那么如何用隔离变压器来驱动呢？

　　

采用一拖二的方式，可以来驱动两个管子。

下图，是两个驱动源的波形：

　　

通过变压器传递之后，到达MOS会变成如下：

　　

在有源钳位，不对称半桥，以及同步整流等场合，需要一对互补的驱动，那么怎么用一路驱动来产生互补驱动，并且形成死区。可用下图。

　　

波形如下图：

　　

MOSFET的并联驱动，由于MOS经常采用并联的方式工作，那么驱动又该如何设计呢？

是这样

　　

还是这样？

　　

MOS并联，对驱动的一致性要求就很高了，如果导通，关断时间不一致，会导致其中一个MOS开关损耗剧增。所以在软开关电路上，用MOS并联问题比较少，但是硬开关电路，就要小心了。下面用仿真来看现象，假设两个MOS并联，而且MOS的参数完全一样。

但是驱动走线的寄生参数有很大不同。

　　

R2，R4，L1，L2都为驱动走线的寄生参数。那么下图为，导通时候，两个mos的电流

基本上还算一致。

　　

接下去，把两个驱动电阻并联起来一起去驱动两MOS，

　　

再看导通时候的电流波形：

　　

两管子的电流波形，均出现剧烈震荡。

Pmos的驱动：

下图为Pmos

　　

Pmos要求GS的电压是负的，也就是G的电压要比S的低，才能导通。那么，如果SD承受高压，G只要比S的电压低一点就能导通，但是一旦SD导通，G必须维持负压才能导通。

而GS的耐压是很低的，这就很麻烦了。一般在电源中最常见的Pmos应用，就有有源钳位

有源钳位的Pmos，是S级接地的，那么要保持导通，G级必须要有负压才行。那么如何产生负压呢，可以采用下图驱动方式：

　　

那么波形可见：

　　

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