MOS管驅(qū)動(dòng)-解析MOS管寄生參數(shù)帶來(lái)的影響與驅(qū)動(dòng)電路要點(diǎn)概述-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2019-04-30
MOS管驅(qū)動(dòng)電路，跟雙極性晶體管相比，一般認(rèn)為使MOS管導(dǎo)通不需要電流，只要GS電壓高于一定的值，就可以了。這個(gè)很容易做到，但是，我們還需要速度。
在MOS管的結(jié)構(gòu)中可以看到，在GS，GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅(qū)動(dòng)，實(shí)際上就是對(duì)電容的充放電。對(duì)電容的充電需要一個(gè)電流，因?yàn)閷?duì)電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會(huì)比較大。選擇/設(shè)計(jì)MOS管驅(qū)動(dòng)時(shí)第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。
第二注意的是，普遍用于高端驅(qū)動(dòng)的NMOS，導(dǎo)通時(shí)需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅(qū)動(dòng)的MOS管導(dǎo)通時(shí)源極電壓與漏極電壓(VCC)相同，所以這時(shí)柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個(gè)系統(tǒng)里，要得到比VCC大的電壓，就要專門的升壓電路了。很多馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器都集成了電荷泵，要注意的是應(yīng)該選擇合適的外接電容，以得到足夠的短路電流去驅(qū)動(dòng)MOS管。
上邊說(shuō)的4V或10V是常用的MOS管的導(dǎo)通電壓，設(shè)計(jì)時(shí)當(dāng)然需要有一定的余量。而且電壓越高，導(dǎo)通速度越快，導(dǎo)通電阻也越小。現(xiàn)在也有導(dǎo)通電壓更小的MOS管用在不同的領(lǐng)域里，但在12V汽車電子系統(tǒng)里，一般4V導(dǎo)通就夠用了。MOS管的驅(qū)動(dòng)電路及其損失，可以參考Microchip公司AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs。
由于存在源邊電感，在開啟和關(guān)段初期，電流的變化被拽了，使得充電和放電的時(shí)間變長(zhǎng)了。同時(shí)源感抗和等效輸入電容之間會(huì)發(fā)生諧振（這個(gè)諧振是由于驅(qū)動(dòng)電壓的快速變壓形成的，也是我們?cè)贕端看到震蕩尖峰的原因），我們加入的門電阻Rg和內(nèi)部的柵極電阻Rm都會(huì)抑制這個(gè)震蕩（震蕩的Q值非常高）。
我們需要加入的優(yōu)化電阻的值可以通過(guò)上述的公式選取，如果電阻過(guò)大則會(huì)引起G端電壓的過(guò)沖（優(yōu)點(diǎn)是加快了開啟的過(guò)程），電阻過(guò)小則會(huì)使得開啟過(guò)程變得很慢，加大了開啟的時(shí)間（雖然G端電壓會(huì)被抑制）。
園感抗另外一個(gè)影響是阻礙Id的變化，當(dāng)開啟的時(shí)候，初始時(shí)di/dt偏大，因此在原感抗上產(chǎn)生了較大壓降，從而使得源點(diǎn)點(diǎn)位抬高，使得Vg電壓大部分加在電感上面，因此使得G點(diǎn)的電壓變化減小，進(jìn)而形成了一種平衡（負(fù)反饋系統(tǒng)）。
另外一個(gè)重要的寄生參數(shù)是漏極的感抗，主要是有內(nèi)部的封裝電感以及連接的電感所組成。
在開啟狀態(tài)的時(shí)候Ld起到了很好的作用（Subber吸收的作用），開啟的時(shí)候由于Ld的作用，有效的限制了di/dt/（同時(shí)減少了開啟的功耗）。在關(guān)斷的時(shí)候，由于Ld的作用，Vds電壓形成明顯的下沖（負(fù)壓）并顯著的增加了關(guān)斷時(shí)候的功耗。
驅(qū)動(dòng)（直連或耦合的）的一些重要特性和典型環(huán)節(jié)
實(shí)際上驅(qū)動(dòng)器和MOS管一般離開很遠(yuǎn)，因此在源級(jí)到返回路徑的環(huán)路上存在很大的感抗，即使我們考慮使用地平面，那么我們?nèi)耘f需要一段很粗的PCB線連接源級(jí)和地平面。
另外一個(gè)問題是大部分的集成芯片的輸出電流都比較小，因?yàn)橛捎诳刂祁l率較高，晶圓大小受到限制。同時(shí)內(nèi)部功耗很高也導(dǎo)致了IC的成本較高，因此我們需要一些擴(kuò)展分立的電路。
旁路電容的大小
由于開啟的瞬間，MOS管需要吸取大量的電流，因此旁路電容需要盡可能的貼近驅(qū)動(dòng)器電源端。
有兩個(gè)電流需要我們?nèi)タ紤]：第一個(gè)是驅(qū)動(dòng)器靜態(tài)電流，它收到輸入狀態(tài)的影響。他可以產(chǎn)生一個(gè)和占空比相關(guān)的紋波。
另外一個(gè)是G極電流，MOS管開通的時(shí)候，充電電流時(shí)將旁路電流的能量傳輸至MOS管輸入電容上。其紋波大小可用公式來(lái)表明，最后兩個(gè)可合在一起。
如果驅(qū)動(dòng)器輸出級(jí)為晶體管，那么我們還需要適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)來(lái)防止反向電流。一般為了成本考慮，我們采用NPN的輸出級(jí)電路。NPN管子只能承受單向電流，高邊的管子輸出電流，低邊的管子吸收電流。在開啟和關(guān)閉的時(shí)候，無(wú)可避免的源感抗和輸入電容之間的振蕩使得電流需要上下兩個(gè)方向都有通路，為了提供一條方向通路，低電壓的肖特基二極管可以用來(lái)保護(hù)驅(qū)動(dòng)器的輸出級(jí)，這里注意這兩個(gè)管子并不能保護(hù)MOS管的輸入級(jí)（離MOS管較遠(yuǎn)），因此二極管需要離驅(qū)動(dòng)器引腳非常近。
這是最便宜和有效地驅(qū)動(dòng)方式，此電路需要盡量考慮MOS管，這樣可以使得開啟時(shí)大電流環(huán)路盡可能小，并且此電路需要專門的旁路電容。Rgate是可選的，Rb可以根據(jù)晶體管的放大倍數(shù)來(lái)選擇。兩個(gè)BE之間的PN結(jié)有效的實(shí)現(xiàn)了反壓時(shí)候的相互保護(hù)，并能有效的把電壓嵌位在VCC+Vbe，GND-Vbe之間。
MOS管開通的時(shí)候，開啟的速度主要取決于二極管的反向特性。
因此MOS管關(guān)斷的時(shí)間需要我們?nèi)?yōu)化，放電曲線取決于Rgate，Rgate越小則關(guān)斷越快。下面有好幾個(gè)方案：
（一）二極管關(guān)斷電路
這是最簡(jiǎn)單的加速電路。Rgate調(diào)整著MOS管的開啟速度，當(dāng)關(guān)斷的時(shí)候，由二極管短路電阻，此時(shí)G極電流最小為：Imin=Vf/Rgate。
此電路的優(yōu)點(diǎn)是大大加速了關(guān)斷的速度，但是它僅在電壓高的時(shí)候工作，且電流仍舊流向驅(qū)動(dòng)器。
（二）PNP關(guān)斷電路
這是最流行和通用的電路，利用PNP的管子，在關(guān)斷期間，源極和柵極被短路了。二極管提供了開啟時(shí)候的電流通路（并且有保護(hù)PNP管子eb免受反向電壓的影響），Rgate限制了開啟的速度。
電路的最大的好處是放電電流的尖峰被限制在最小的環(huán)路中，電流并不返回至驅(qū)動(dòng)器，因此也不會(huì)造成地彈的現(xiàn)象，驅(qū)動(dòng)器的功率也小了一半，三極管的存在減小了回路電感。仔細(xì)看這個(gè)電路其實(shí)是圖騰柱結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，電路的唯一的缺點(diǎn)是柵極電壓并不釋放到0V，而是存在EC極的壓差。
（三）NPN關(guān)斷電路
優(yōu)點(diǎn)和上面的PNP管子相同，缺點(diǎn)是加入了一個(gè)反向器，加入反向器勢(shì)必會(huì)造成延遲。
（四）NMOS關(guān)斷電路
這個(gè)電路可以使得MOS管關(guān)斷非常快，并且柵極電壓完全釋放至零電壓。不過(guò)小NMOS管子需要一個(gè)方向電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)。問題也存在，NMOS的Coss電容和主MOS管的CISS合成變成等效的電容了。
不管是NMOS還是PMOS，導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在，因而在DS間流過(guò)電流的同時(shí)，兩端還會(huì)有電壓(如2SK3418特性圖所示)，這樣電流就會(huì)在這個(gè)電阻上消耗能量，這部分消耗的能量叫做導(dǎo)通損耗。選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管會(huì)減小導(dǎo)通損耗。現(xiàn)在的小功率MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾十毫歐左右，幾毫歐的也有。
mos在導(dǎo)通和截止的時(shí)候，一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個(gè)下降的過(guò)程，流過(guò)的電流有一個(gè)上升的過(guò)程，在這段時(shí)間內(nèi)，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開關(guān)損失。通常開關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多，而且開關(guān)頻率越快，損失也越大。
下圖是MOS管導(dǎo)通時(shí)的波形。可以看出，導(dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損失也就很大。降低開關(guān)時(shí)間，可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失;降低開關(guān)頻率，可以減小單位時(shí)間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關(guān)損失。
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