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

硬件電子工程師

1、MOS管簡(jiǎn)介功率MOSFET是電壓型驅(qū)動(dòng)器件，輸入阻抗高，因而開(kāi)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(kāi)通和關(guān)斷動(dòng)態(tài)過(guò)程中，仍需要一定的驅(qū)動(dòng)電流，MOS管的開(kāi)關(guān)速度與驅(qū)動(dòng)源內(nèi)阻抗有關(guān)，開(kāi)關(guān)速度不同影響其實(shí)際損耗。
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(shū)。

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(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(kāi)關(guān)損失。通常開(kāi)關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多，而且開(kāi)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(kāi)關(guān)時(shí)間，可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失；降低開(kāi)關(guān)頻率，可以減少單位時(shí)間內(nèi)的開(kāi)關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開(kāi)關(guān)損失。其中縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間和驅(qū)動(dòng)電路關(guān)系密切。
2 M: `; M4 V9 S: R3 f4 }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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' V. F: J& X" s: J+ Y* P* Z在不同的MOS管應(yīng)用場(chǎng)合，需要驅(qū)動(dòng)電路特性也不一樣。不同的場(chǎng)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�往決定著驅(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。
# j3 W8 T2 i7 Q. R4 s2、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)。控制電路中往往使用集成芯片控制MOS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(kāi)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。
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(jiǎn)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。

圖1
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圖2

% U" o" E: N' ^, p  L8 h8 `7 j. E圖3
0 @5 ^0 C) X! e! k3 O( \- Y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(lái)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。
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(kāi)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(guò)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(lái)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(guò)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(kāi)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。
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(shí)間常數(shù)為若干uS。
- a1 x' M9 Q  Z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。

0 o- C3 O8 N, S' {( X& r' i3、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)。
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8 H1 R' C) }5 G- C. B" `" Z! ~圖4
% T  s/ \/ g9 r$ w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�采用了UC3844，其輸出為高電平時(shí)，輸出電流經(jīng)過(guò)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(guò)驅(qū)動(dòng)電阻R1來(lái)驅(qū)動(dòng)MOS管導(dǎo)通。
; I3 p8 E6 {$ z$ Z; N- @+ h當(dāng)UC3844為低電平輸出時(shí)，變壓器磁場(chǎng)不能馬上突變，即通過(guò)VD2、R4、C1回路來(lái)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。

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(chǎng)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(guò)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。
在大功率電路橋式多管使用場(chǎng)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(lái)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。
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( ]) A/ H! U* O6 m; i3 f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(guò)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(guò)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(lái)說(shuō)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(kāi)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(chǎng)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。

0 s  C9 [. @  s8 ^0 B1 v0 M2 U圖5
' I3 ]/ V6 S, E" [2 ~$ z0 }, a圖6光耦的左側(cè)是控制電路，驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)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(lái)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(guò)沖。VD1是加速關(guān)斷二極管。
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7 Z: N  \# A& E圖6
4、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(kāi)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(kāi)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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$ u5 N+ h0 @/ ]5 B圖7
圖7中雖然通過(guò)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(lái)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。

7 |2 V" B) n' z( h1 ?6 I圖8
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圖9
關(guān)斷加速還有一個(gè)更簡(jiǎn)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(lái)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。總體來(lái)說(shuō)就是減小回路阻抗，增大抽取電流兩個(gè)方面。
5、總結(jié)本文通過(guò)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(chǎng)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。