一文詳解MOS管驅(qū)動電路拓撲的設(shè)計

硬件電子工程師

1、MOS管簡介功率MOSFET是電壓型驅(qū)動器件，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)時柵極驅(qū)動電流幾乎為零，但在開通和關(guān)斷動態(tài)過程中，仍需要一定的驅(qū)動電流，MOS管的開關(guān)速度與驅(qū)動源內(nèi)阻抗有關(guān)，開關(guān)速度不同影響其實際損耗。
. W3 C# Z" y! Q+ Q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。
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MOS管的三個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，這樣電流就會在這個電阻上消耗能量，這部分消耗的能量叫做導(dǎo)通損耗。MOS在導(dǎo)通和截止的時候，一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個下降的過程，流過的電流有一個上升的過程，在這段時間內(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)時間，可以減小每次導(dǎo)通時的損失；降低開關(guān)頻率，可以減少單位時間內(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)時間和驅(qū)動電路關(guān)系密切。
0 l; \9 O4 c3 |8 k2 L* i3 A# cMOS管在GS，GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅(qū)動，實際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個電流，因為對電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會比較大。
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. l3 O: o  B5 k: ^& V) T4 h  m7 z8 B在不同的MOS管應(yīng)用場合，需要驅(qū)動電路特性也不一樣。不同的場合需求與之相應(yīng)的驅(qū)動特性。而驅(qū)動電路的拓撲形式往往決定著驅(qū)動電路的驅(qū)動特性。一般可以把驅(qū)動電路的拓撲區(qū)分為直接耦合驅(qū)動和隔離驅(qū)動兩種形式。
/ ?3 @7 h2 ?  B) ~2、直接耦合驅(qū)動直接耦合驅(qū)動是控制電路或驅(qū)動信號直接和MOS管進行電氣連接，具有電氣共共點。控制電路中往往使用集成芯片控制MOS管。輸出驅(qū)動能力較強的集成芯片輸出級一般是圖騰柱輸出電路，驅(qū)動開關(guān)速度比較快�？梢栽�20K-80KHZ，一般選擇在40K左右運行。有些集成芯片例如UC3844還能夠?qū)崿F(xiàn)一定的環(huán)路控制，對于例如CD4001等輸出驅(qū)動能力有限的集成芯片，其輸出會增加一個圖騰柱電路以增強對后級電路的驅(qū)動能力。
集成芯片直接耦合驅(qū)動主要應(yīng)用于低壓、非橋式變換電路中，驅(qū)動的MOS管往往是單片獨立工作。它的工作特點是簡單、可靠、成本低，所以這種集成芯片直接耦合驅(qū)動電路大量用于輔助電源和充電器等小功率電路中。

* O' z" s/ |+ ^0 _( Z4 e( x) d: Q圖1

' b, H% c" @& ~, }' F5 Q, y0 h$ J圖2
1 X( s2 a9 _4 i0 d+ }  B
) Z4 j, f( [& m( F* d3 ~" g6 O2 r圖3
! _) ~8 j, Q4 F" X: N! J在直接耦合驅(qū)動中以圖1的形式更具代表性，集成芯片UC3844輸出級就是圖騰柱電路，所以用它來直接驅(qū)動MOS管是有環(huán)路控制功能電路的首選。也正因為這種驅(qū)動拓撲應(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。
0 y. w& }7 b/ G7 B) ~2 Y圖2 相對于圖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)斷時加速柵極電荷的瀉放，目的是減少MOS管關(guān)斷時間從而減少開關(guān)損耗。VD1比較常用的型號是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，所以一般使用例如1N4746的穩(wěn)壓管進行嵌壓保護，有時還會增加一個反并聯(lián)的穩(wěn)壓管來保護反方向的電壓沖擊。但是在驅(qū)動電源比較穩(wěn)定時，柵源電壓波動不會超過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感應(yīng)出電壓并導(dǎo)通后致使功率管損壞。
MOS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，其時間常數(shù)為若干uS。
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“圖騰柱”。用同一信號驅(qū)動兩個b極。驅(qū)動信號為高時，NPN導(dǎo)通；信號為低時，PNP導(dǎo)通。利用兩個晶體管構(gòu)成推挽輸出以增強驅(qū)動能力。

* ^6 `9 {  R8 o3 L% ~3、隔離驅(qū)動在電路電氣的隔離設(shè)計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也必須采用隔離驅(qū)動的設(shè)計。
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圖4
+ i; E* ~* F; F圖4是一個采用正激隔離變壓器實現(xiàn)電氣隔離的驅(qū)動電路�？刂菩酒�采用了UC3844，其輸出為高電平時，輸出電流經(jīng)過R4、C1給變壓器初級線圈勵磁。次級線圈為高電平輸出，通過驅(qū)動電阻R1來驅(qū)動MOS管導(dǎo)通。
! \9 b0 d" N/ D" P3 ^當(dāng)UC3844為低電平輸出時，變壓器磁場不能馬上突變，即通過VD2、R4、C1回路來進行磁復(fù)位，此時次級繞組為反向電壓輸出，對柵極電荷進行迅速抽離，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是為了防止次級線圈和C2產(chǎn)生自激振蕩，這和驅(qū)動電阻R1的作用是類似的。在驅(qū)動電平處理比較好的驅(qū)動電路中，R3、C2是可以去掉的，這時需要調(diào)節(jié)R1使驅(qū)動波形不至于產(chǎn)生共振干擾，同時還要滿足一定的驅(qū)動效果，比如合適功率管應(yīng)力指標以及合適的功率管發(fā)熱。
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' f1 `7 N  I- w5 e, t% A采用隔離變壓器驅(qū)動電路主要應(yīng)用于單管需要隔離的小功率電路，也會應(yīng)用到雙功率管電路中，一般場景是驅(qū)動時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繞組電感和輸出端寄生電容形成諧振，驅(qū)動波形需要適當(dāng)?shù)臑V波和限幅保護。當(dāng)驅(qū)動脈寬較窄時，由于是儲存的能量減少，在關(guān)斷續(xù)流時輸出感應(yīng)負電壓較低，導(dǎo)致MOS管柵極的關(guān)斷速度變慢。
在大功率電路橋式多管使用場景里，采用上面隔離驅(qū)動變壓器的驅(qū)動方案顯然不大合適。但橋式多管電壓變換中驅(qū)動也是需要隔離的。除了直接使用MOS管驅(qū)動變壓器實現(xiàn)隔離之外，還可以使用隔離驅(qū)動電源加隔離驅(qū)動信號來實現(xiàn)。這種隔離驅(qū)動除了要求有獨立的驅(qū)動電源，還要求驅(qū)動脈沖的隔離。

- Z5 v0 R2 u7 `如下圖5是隔離電源電路而圖6利用光耦進行驅(qū)動脈沖的隔離。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)動電壓。隔離電源可以設(shè)計成雙電源也可以設(shè)計成單電源。雙電源就是可以實現(xiàn)正、負兩個極性的驅(qū)動輸出。對于MOS管來說負電源意味著有效快速的進行功率管關(guān)斷，并且可以避免驅(qū)動干擾所引起的誤開通，所以對于大功率橋式電路中大多采取雙電源。單電源就是關(guān)閉的時候驅(qū)動輸出是0V低電平，對于非橋式、功率小以及驅(qū)動干擾不大的場合也可選擇單電源工作。直接耦合驅(qū)動拓撲一般采用單電源驅(qū)動形式。

% s* M. r1 Y0 ?' m4 n' u9 q圖5
圖6光耦的左側(cè)是控制電路，驅(qū)動信號來自控制芯片。右側(cè)使用隔離的雙電源，同時增加一級圖騰柱電路來驅(qū)動MOS功率管。MOS管的源極是隔離電源的“地”，而柵極地驅(qū)動波形將是相對于“地”的正或負脈沖。VD2是一個電壓嵌位二極管用于保護MOS管柵源之間的電壓過沖。VD1是加速關(guān)斷二極管。
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2 @" S  B5 Y  b1 W$ ]* D5 K圖6
4、關(guān)斷加速電路為了減少MOS管關(guān)斷時間從而減少開關(guān)損耗，驅(qū)動電路會要求關(guān)斷時快速抽取柵極電荷，此時驅(qū)動回路需要一個低阻抗回路。如圖2中的VD1是快速關(guān)斷二極管，在關(guān)斷時它直接短路掉和它并聯(lián)的驅(qū)動電阻，使得驅(qū)動回路的阻抗降低從而快速將柵極電荷抽走。在驅(qū)動電阻上并聯(lián)一個二極管就是一種關(guān)斷加速電路，有時候二極管可以串聯(lián)一個合適的電阻，最終達到MOS管開通和關(guān)斷不同的工作狀態(tài)從而滿足設(shè)計要求，如下圖7中VD1、R3所示。
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圖7
圖7中雖然通過增加二極管減少驅(qū)動電路的阻抗，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�？梢赃x擇小容量MOS管來代替三極管，但這個MOS管需要一個電平的轉(zhuǎn)換以使和實際驅(qū)動信號的相位相反。由于MOS管是電壓驅(qū)動，并能夠運行在飽和導(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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- `5 C% m' x$ \/ k/ R6 u圖8

圖9
6 q0 L9 W0 [# m關(guān)斷加速還有一個更簡單有效的方法就是使用足夠低的負電源關(guān)閉，所以解決措施要根據(jù)實際需要和效果來定，可以是一個方案也可以是多個方案，更可以進行適當(dāng)?shù)碾娐纷兎N�？傮w來說就是減小回路阻抗，增大抽取電流兩個方面。
0 L8 R) E, d) \, @; z5、總結(jié)本文通過圖例介紹了MOS管驅(qū)動拓撲的類別，對于不同的使用場景MOS管所需的的工作特定要求也是不同的。在實際選用時可以在這些介紹的電路基礎(chǔ)上進行演化，以適應(yīng)指定MOS管使用要求。