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MOS管驱动-解析MOS管寄生参数带来的影响与驱动电路要点概述-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2019-04-30 

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MOS管,MOS管驱动电路

MOS管驱动

MOS管驱动电路,跟双极性晶体管相比,一般认为使MOS管导通不需要电流,只要GS电压高于一定的值,就可以了。这个很容易做到,但是,我们还需要速度。


在MOS管的结构中可以看到,在GS,GD之间存在寄生电容,而MOS管的驱动,实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流,因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路,所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。


第二注意的是,普遍用于高端驱动的NMOS,导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同,所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。如果在同一个系统里,要得到比VCC大的电压,就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵,要注意的是应该选择合适的外接电容,以得到足够的短路电流去驱动MOS管。


上边说的4V或10V是常用的MOS管的导通电压,设计时当然需要有一定的余量。而且电压越高,导通速度越快,导通电阻也越小。现在也有导通电压更小的MOS管用在不同的领域里,但在12V汽车电子系统里,一般4V导通就够用了。MOS管的驱动电路及其损失,可以参考Microchip公司AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs。


源边感抗带来的影响

使得MOS管的开启延迟和关断延迟增加

由于存在源边电感,在开启和关段初期,电流的变化被拽了,使得充电和放电的时间变长了。同时源感抗和等效输入电容之间会发生谐振(这个谐振是由于驱动电压的快速变压形成的,也是我们在G端看到震荡尖峰的原因),我们加入的门电阻Rg和内部的栅极电阻Rm都会抑制这个震荡(震荡的Q值非常高)。


MOS管,MOS管驱动电路


我们需要加入的优化电阻的值可以通过上述的公式选取,如果电阻过大则会引起G端电压的过冲(优点是加快了开启的过程),电阻过小则会使得开启过程变得很慢,加大了开启的时间(虽然G端电压会被抑制)。

园感抗另外一个影响是阻碍Id的变化,当开启的时候,初始时di/dt偏大,因此在原感抗上产生了较大压降,从而使得源点点位抬高,使得Vg电压大部分加在电感上面,因此使得G点的电压变化减小,进而形成了一种平衡(负反馈系统)。

另外一个重要的寄生参数是漏极的感抗,主要是有内部的封装电感以及连接的电感所组成。


在开启状态的时候Ld起到了很好的作用(Subber吸收的作用),开启的时候由于Ld的作用,有效的限制了di/dt/(同时减少了开启的功耗)。在关断的时候,由于Ld的作用,Vds电压形成明显的下冲(负压)并显著的增加了关断时候的功耗。

驱动(直连或耦合的)的一些重要特性和典型环节


直连电路最大挑战是优化布局

实际上驱动器和MOS管一般离开很远,因此在源级到返回路径的环路上存在很大的感抗,即使我们考虑使用地平面,那么我们仍旧需要一段很粗的PCB线连接源级和地平面。


MOS管,MOS管驱动电路


另外一个问题是大部分的集成芯片的输出电流都比较小,因为由于控制频率较高,晶圆大小受到限制。同时内部功耗很高也导致了IC的成本较高,因此我们需要一些扩展分立的电路。


旁路电容的大小

由于开启的瞬间,MOS管需要吸取大量的电流,因此旁路电容需要尽可能的贴近驱动器电源端。

有两个电流需要我们去考虑:第一个是驱动器静态电流,它收到输入状态的影响。他可以产生一个和占空比相关的纹波。

另外一个是G极电流,MOS管开通的时候,充电电流时将旁路电流的能量传输至MOS管输入电容上。其纹波大小可用公式来表明,最后两个可合在一起。


驱动器保护


MOS管,MOS管驱动电路


如果驱动器输出级为晶体管,那么我们还需要适当的保护来防止反向电流。一般为了成本考虑,我们采用NPN的输出级电路。NPN管子只能承受单向电流,高边的管子输出电流,低边的管子吸收电流。在开启和关闭的时候,无可避免的源感抗和输入电容之间的振荡使得电流需要上下两个方向都有通路,为了提供一条方向通路,低电压的肖特基二极管可以用来保护驱动器的输出级,这里注意这两个管子并不能保护MOS管的输入级(离MOS管较远),因此二极管需要离驱动器引脚非常近。


晶体管的图腾柱结构


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这是最便宜和有效地驱动方式,此电路需要尽量考虑MOS管,这样可以使得开启时大电流环路尽可能小,并且此电路需要专门的旁路电容。Rgate是可选的,Rb可以根据晶体管的放大倍数来选择。两个BE之间的PN结有效的实现了反压时候的相互保护,并能有效的把电压嵌位在VCC+Vbe,GND-Vbe之间。


加速器件

MOS管开通的时候,开启的速度主要取决于二极管的反向特性。

因此MOS管关断的时间需要我们去优化,放电曲线取决于Rgate,Rgate越小则关断越快。下面有好几个方案:


(一)二极管关断电路


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这是最简单的加速电路。Rgate调整着MOS管的开启速度,当关断的时候,由二极管短路电阻,此时G极电流最小为:Imin=Vf/Rgate。

此电路的优点是大大加速了关断的速度,但是它仅在电压高的时候工作,且电流仍旧流向驱动器。


(二)PNP关断电路


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这是最流行和通用的电路,利用PNP的管子,在关断期间,源极和栅极被短路了。二极管提供了开启时候的电流通路(并且有保护PNP管子eb免受反向电压的影响),Rgate限制了开启的速度。


电路的最大的好处是放电电流的尖峰被限制在最小的环路中,电流并不返回至驱动器,因此也不会造成地弹的现象,驱动器的功率也小了一半,三极管的存在减小了回路电感。仔细看这个电路其实是图腾柱结构的简化,电路的唯一的缺点是栅极电压并不释放到0V,而是存在EC极的压差。


(三)NPN关断电路


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优点和上面的PNP管子相同,缺点是加入了一个反向器,加入反向器势必会造成延迟。


(四)NMOS关断电路


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这个电路可以使得MOS管关断非常快,并且栅极电压完全释放至零电压。不过小NMOS管子需要一个方向电压来驱动。问题也存在,NMOS的Coss电容和主MOS管的CISS合成变成等效的电容了。


MOS开关管损失

不管是NMOS还是PMOS,导通后都有导通电阻存在,因而在DS间流过电流的同时,两端还会有电压(如2SK3418特性图所示),这样电流就会在这个电阻上消耗能量,这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右,几毫欧的也有。


mos在导通和截止的时候,一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程,流过的电流有一个上升的过程,在这段时间内,MOS管的损失是电压和电流的乘积,叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多,而且开关频率越快,损失也越大。


下图是MOS管导通时的波形。可以看出,导通瞬间电压和电流的乘积很大,造成的损失也就很大。降低开关时间,可以减小每次导通时的损失;降低开关频率,可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。


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