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一文詳解MOS管驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)

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發(fā)表于 2023-6-26 23:52:00 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎(jiǎng)勵(lì) |倒序?yàn)g覽 |閱讀模式
1、MOS管簡介功率MOSFET是電壓型驅(qū)動(dòng)器件,輸入阻抗高,因而開關(guān)速度可以很高。功率MOS管的柵極有等效的輸入電容CISS。由于CISS的存在,靜態(tài)時(shí)柵極驅(qū)動(dòng)電流幾乎為零,但在開通和關(guān)斷動(dòng)態(tài)過程中,仍需要一定的驅(qū)動(dòng)電流,MOS管的開關(guān)速度與驅(qū)動(dòng)源內(nèi)阻抗有關(guān),開關(guān)速度不同影響其實(shí)際損耗。1 V$ p. @) @% M! J: L4 c+ s' {
比較常用的MOS管是N型FET管, MOS的特性是Vgs大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通,柵極電壓一般為4V左右,可用查看功率管的規(guī)格書。
6 ^0 w2 g. H; X' L( C" P3 S5 ? : _& G! Z( N, }, p1 Y
MOS管的三個(gè)管腳之間有寄生電容存在,這不是我們需要的,而是由于制造工藝限制產(chǎn)生的。MOS管導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在,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。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)下降的過程,流過的電流有一個(gè)上升的過程,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。導(dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積很大,造成的損失也就很大?s短開關(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,可以減少單位時(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。其中縮短開關(guān)時(shí)間和驅(qū)動(dòng)電路關(guān)系密切。8 W* ^! ~4 w7 n, l  O
MOS管在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。
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在不同的MOS管應(yīng)用場合,需要驅(qū)動(dòng)電路特性也不一樣。不同的場合需求與之相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)特性。而驅(qū)動(dòng)電路的拓?fù)湫问酵鶝Q定著驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)特性。一般可以把驅(qū)動(dòng)電路的拓?fù)鋮^(qū)分為直接耦合驅(qū)動(dòng)和隔離驅(qū)動(dòng)兩種形式。
) A" h- A4 A2 r  B& j2、直接耦合驅(qū)動(dòng)直接耦合驅(qū)動(dòng)是控制電路或驅(qū)動(dòng)信號(hào)直接和MOS管進(jìn)行電氣連接,具有電氣共共點(diǎn)?刂齐娐分型褂眉尚酒刂芃OS管。輸出驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)的集成芯片輸出級(jí)一般是圖騰柱輸出電路,驅(qū)動(dòng)開關(guān)速度比較快?梢栽20K-80KHZ,一般選擇在40K左右運(yùn)行。有些集成芯片例如UC3844還能夠?qū)崿F(xiàn)一定的環(huán)路控制,對(duì)于例如CD4001等輸出驅(qū)動(dòng)能力有限的集成芯片,其輸出會(huì)增加一個(gè)圖騰柱電路以增強(qiáng)對(duì)后級(jí)電路的驅(qū)動(dòng)能力。
/ U% }- k1 ?4 o- {集成芯片直接耦合驅(qū)動(dòng)主要應(yīng)用于低壓、非橋式變換電路中,驅(qū)動(dòng)的MOS管往往是單片獨(dú)立工作。它的工作特點(diǎn)是簡單、可靠、成本低,所以這種集成芯片直接耦合驅(qū)動(dòng)電路大量用于輔助電源和充電器等小功率電路中。8 z: D# h& s+ M6 t: I" S
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圖1/ t8 f" t8 }. o$ S

: W' u0 }: F* C+ m% K3 K6 G% H0 s圖2
6 b' U$ A6 ^. ]6 q. N: B
  B0 c6 O: V& f- W5 k* s+ @* V. }% a" q圖3
# o, a! C* J& n- H) a" ^9 \在直接耦合驅(qū)動(dòng)中以圖1的形式更具代表性,集成芯片UC3844輸出級(jí)就是圖騰柱電路,所以用它來直接驅(qū)動(dòng)MOS管是有環(huán)路控制功能電路的首選。也正因?yàn)檫@種驅(qū)動(dòng)拓?fù)鋺?yīng)用廣泛,業(yè)界已經(jīng)把環(huán)路控制集成芯片和MOS管集成到一起并形成一種叫TOP SWITCH的通用電路形式。: W/ A, s6 f* T$ }
圖2 相對(duì)于圖1增加了VD1和VD2,VD1是加速關(guān)斷二極管,其作用是MOS管關(guān)斷時(shí)加速柵極電荷的瀉放,目的是減少M(fèi)OS管關(guān)斷時(shí)間從而減少開關(guān)損耗。VD1比較常用的型號(hào)是1N4148、1N5819。VD2是柵源間的電壓嵌位穩(wěn)壓管,由于MOS管的柵源之間電壓超過20V就有使功率管損壞的風(fēng)險(xiǎn),所以一般使用例如1N4746的穩(wěn)壓管進(jìn)行嵌壓保護(hù),有時(shí)還會(huì)增加一個(gè)反并聯(lián)的穩(wěn)壓管來保護(hù)反方向的電壓沖擊。但是在驅(qū)動(dòng)電源比較穩(wěn)定時(shí),柵源電壓波動(dòng)不會(huì)超過20V的情況下,此穩(wěn)壓管也可不加。R2電阻一定是要加的,他的作用是當(dāng)MOS管和驅(qū)動(dòng)電路斷開后,柵源極能夠保持有效低電平。防止漏源極增加電壓后使柵源級(jí)感應(yīng)出電壓并導(dǎo)通后致使功率管損壞。
7 x9 i5 R6 e5 D6 {& o5 uMOS管的輸入電容Ciss可取值5000pF,電阻在3K到50K的電阻值都可以選擇,其時(shí)間常數(shù)為若干uS。2 y7 N+ j/ c" q7 d6 r3 M( z# p
圖3相比圖1和圖2,增加了VT2和VT3組成的圖騰柱電路,圖騰柱電路就是推挽輸出電路。圖騰柱就是上下各一個(gè)三極管,上管為NPN,c極(集電極)接正電源,下管為PNP,c極(集電極)接地。兩個(gè)b極(基極)接一起,接輸入,上管和下管的e極(發(fā)射極)接到一起,接輸出,像一個(gè)“圖騰柱”。用同一信號(hào)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)b極。驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高時(shí),NPN導(dǎo)通;信號(hào)為低時(shí),PNP導(dǎo)通。利用兩個(gè)晶體管構(gòu)成推挽輸出以增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力。1 a( Z5 A& O3 g) R% ~* r2 p

+ z8 P( m; G: n+ @3 Q3、隔離驅(qū)動(dòng)在電路電氣的隔離設(shè)計(jì)中通常使用的電氣隔離手段是磁隔離和光隔離。磁隔離需要設(shè)計(jì)合適的變壓器,光隔離需要選擇合適的光耦器件。MOS管的隔離驅(qū)動(dòng)是應(yīng)用在大功率的多管橋式變換電路中,當(dāng)功率電路要求和控制電路必須隔離時(shí)也必須采用隔離驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)。/ ?/ J: k9 t- a# ~

8 ~+ O" B1 f4 n4 |! l# B圖4% n  Y3 O% C7 w, T' I- r
圖4是一個(gè)采用正激隔離變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離的驅(qū)動(dòng)電路?刂菩酒捎昧薝C3844,其輸出為高電平時(shí),輸出電流經(jīng)過R4、C1給變壓器初級(jí)線圈勵(lì)磁。次級(jí)線圈為高電平輸出,通過驅(qū)動(dòng)電阻R1來驅(qū)動(dòng)MOS管導(dǎo)通。, l, R5 k8 I2 D( a' V
當(dāng)UC3844為低電平輸出時(shí),變壓器磁場不能馬上突變,即通過VD2、R4、C1回路來進(jìn)行磁復(fù)位,此時(shí)次級(jí)繞組為反向電壓輸出,對(duì)柵極電荷進(jìn)行迅速抽離,隨著變壓器磁復(fù)位結(jié)束柵源電壓變?yōu)?V,3844的輸出占空比最大為50%也能保證足夠磁復(fù)位時(shí)間。C2的作用是,使交流成份不流入線圈;吸收電感兩端的尖峰電壓。增加R3是為了防止次級(jí)線圈和C2產(chǎn)生自激振蕩,這和驅(qū)動(dòng)電阻R1的作用是類似的。在驅(qū)動(dòng)電平處理比較好的驅(qū)動(dòng)電路中,R3、C2是可以去掉的,這時(shí)需要調(diào)節(jié)R1使驅(qū)動(dòng)波形不至于產(chǎn)生共振干擾,同時(shí)還要滿足一定的驅(qū)動(dòng)效果,比如合適功率管應(yīng)力指標(biāo)以及合適的功率管發(fā)熱。4 K! v8 F* J6 z

! V& i) a8 K7 d8 g5 |采用隔離變壓器驅(qū)動(dòng)電路主要應(yīng)用于單管需要隔離的小功率電路,也會(huì)應(yīng)用到雙功率管電路中,一般場景是驅(qū)動(dòng)時(shí)序要求一樣并且功率管之間需要隔離。為了保證磁復(fù)位占空比不能超過50%。采用隔離變壓器需要避免次級(jí)繞組電感和輸出端寄生電容形成諧振,驅(qū)動(dòng)波形需要適當(dāng)?shù)臑V波和限幅保護(hù)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈寬較窄時(shí),由于是儲(chǔ)存的能量減少,在關(guān)斷續(xù)流時(shí)輸出感應(yīng)負(fù)電壓較低,導(dǎo)致MOS管柵極的關(guān)斷速度變慢。
4 v. E, H/ X  @* _1 S在大功率電路橋式多管使用場景里,采用上面隔離驅(qū)動(dòng)變壓器的驅(qū)動(dòng)方案顯然不大合適。但橋式多管電壓變換中驅(qū)動(dòng)也是需要隔離的。除了直接使用MOS管驅(qū)動(dòng)變壓器實(shí)現(xiàn)隔離之外,還可以使用隔離驅(qū)動(dòng)電源加隔離驅(qū)動(dòng)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。這種隔離驅(qū)動(dòng)除了要求有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電源,還要求驅(qū)動(dòng)脈沖的隔離。/ Y  b* M* G6 _4 `2 e7 I

3 A! {* n" p$ y: m! z如下圖5是隔離電源電路而圖6利用光耦進(jìn)行驅(qū)動(dòng)脈沖的隔離。圖5的隔離電源是通過脈沖發(fā)生芯片CD4093產(chǎn)生固定占空比的驅(qū)動(dòng)脈沖,輸出給圖騰柱電路后直接給正激變壓器,正激變壓器輸出在整流后通過電容的濾波以及穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓形成穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電壓。隔離電源可以設(shè)計(jì)成雙電源也可以設(shè)計(jì)成單電源。雙電源就是可以實(shí)現(xiàn)正、負(fù)兩個(gè)極性的驅(qū)動(dòng)輸出。對(duì)于MOS管來說負(fù)電源意味著有效快速的進(jìn)行功率管關(guān)斷,并且可以避免驅(qū)動(dòng)干擾所引起的誤開通,所以對(duì)于大功率橋式電路中大多采取雙電源。單電源就是關(guān)閉的時(shí)候驅(qū)動(dòng)輸出是0V低電平,對(duì)于非橋式、功率小以及驅(qū)動(dòng)干擾不大的場合也可選擇單電源工作。直接耦合驅(qū)動(dòng)拓?fù)湟话悴捎脝坞娫打?qū)動(dòng)形式。: B; [; m. q2 u% A' U7 }0 t: o
) W( e( ?2 z2 q( z4 l
圖5
  c" L& _- A; `" Q4 J2 q圖6光耦的左側(cè)是控制電路,驅(qū)動(dòng)信號(hào)來自控制芯片。右側(cè)使用隔離的雙電源,同時(shí)增加一級(jí)圖騰柱電路來驅(qū)動(dòng)MOS功率管。MOS管的源極是隔離電源的“地”,而柵極地驅(qū)動(dòng)波形將是相對(duì)于“地”的正或負(fù)脈沖。VD2是一個(gè)電壓嵌位二極管用于保護(hù)MOS管柵源之間的電壓過沖。VD1是加速關(guān)斷二極管。
( i+ O: x' }% g- F; n! x. h ; P+ p; I* K; {9 E% ~2 z
圖6
1 Y$ n8 O2 |! ~6 z4、關(guān)斷加速電路為了減少M(fèi)OS管關(guān)斷時(shí)間從而減少開關(guān)損耗,驅(qū)動(dòng)電路會(huì)要求關(guān)斷時(shí)快速抽取柵極電荷,此時(shí)驅(qū)動(dòng)回路需要一個(gè)低阻抗回路。如圖2中的VD1是快速關(guān)斷二極管,在關(guān)斷時(shí)它直接短路掉和它并聯(lián)的驅(qū)動(dòng)電阻,使得驅(qū)動(dòng)回路的阻抗降低從而快速將柵極電荷抽走。在驅(qū)動(dòng)電阻上并聯(lián)一個(gè)二極管就是一種關(guān)斷加速電路,有時(shí)候二極管可以串聯(lián)一個(gè)合適的電阻,最終達(dá)到MOS管開通和關(guān)斷不同的工作狀態(tài)從而滿足設(shè)計(jì)要求,如下圖7中VD1、R3所示。
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( o: \8 {2 T# N) u3 n  u; [2 r圖7  c* x  r1 W1 A* a  T1 |; p+ U6 p- X
圖7中雖然通過增加二極管減少驅(qū)動(dòng)電路的阻抗,但二極管、三極管導(dǎo)通壓降以及導(dǎo)通電阻還是存在的,回路阻抗減小有一定的限度。如下圖8中VT4管的存在是增加了MOS管柵極到低電平的回路,VT4可以選擇三極管,但三極管的導(dǎo)通需要基極偏置,三極管不能工作完全飽和狀態(tài),抽取電荷的能力也是有限的。可以選擇小容量MOS管來代替三極管,但這個(gè)MOS管需要一個(gè)電平的轉(zhuǎn)換以使和實(shí)際驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位相反。由于MOS管是電壓驅(qū)動(dòng),并能夠運(yùn)行在飽和導(dǎo)通狀態(tài),把功率MOS管的電荷迅速抽走,如下圖9所示。
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- n$ U/ R2 C1 i; x圖8* M  D$ w# C! V" _) p( r3 {
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圖9
, n. M/ z; V% Q+ T/ H$ B關(guān)斷加速還有一個(gè)更簡單有效的方法就是使用足夠低的負(fù)電源關(guān)閉,所以解決措施要根據(jù)實(shí)際需要和效果來定,可以是一個(gè)方案也可以是多個(gè)方案,更可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾娐纷兎N?傮w來說就是減小回路阻抗,增大抽取電流兩個(gè)方面。
# f$ u; q2 ^9 P3 E& z. `5、總結(jié)本文通過圖例介紹了MOS管驅(qū)動(dòng)拓?fù)涞念悇e,對(duì)于不同的使用場景MOS管所需的的工作特定要求也是不同的。在實(shí)際選用時(shí)可以在這些介紹的電路基礎(chǔ)上進(jìn)行演化,以適應(yīng)指定MOS管使用要求。

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