MOSFET的驅動技術詳解..

1、1MOSFET 的驅動技術詳解simtriex/simplis仿真電路用軟件MOSFET 作為功率開關管，已經(jīng)是是開關電源領域的絕對主力器件。雖然 MOSFET 作為電壓型驅動器件，其驅動表面上看來是非常簡單，但是詳細分析起來并不簡單。下面我會花一點時間，一點點來解析 MOSFET 的驅動技術，以及在不同的應用，應該采用什么樣的驅動電路。首先，來做一個實驗，把一個 MOSFET 的 G 懸空，然后在 DS 上加電壓，那么會出現(xiàn)什么情況呢？很多工程師都知道， MOS 會導通甚至擊穿。 這是為什么呢？我根本沒有加驅動電壓，MOS 怎么會導通？用下面的圖 1,來做個仿真； 去探測 G 極的電壓， 發(fā)

2、現(xiàn)電壓波形如圖 2 所示。圖 2？際情況下，MOS 肯定有驅動電路的么，要么導通，要么關掉。問題就出在開機，或者關機的時候，最主要是開機的時候，此時你的驅動電路還沒上電。但是輸入上電了，由于驅動電路沒有工作，G 級的電荷無法被釋放，就容易導致 MOS 導通擊穿。那么怎么解決呢？在在 GSGS 之間并一個電阻。之間并一個電阻。其仿真的結果如圖 4。幾乎為 0V。300V1IRF530I23什么叫驅動能力，很多 PWM 芯片，或者專門的驅動芯片都會說驅動能力，比如 384X 的驅動能力為 1A,其含義是什么呢？假如驅動是個理想脈沖源，那么其驅動能力就是無窮大，想提供多大電流就給多大。但實際中，驅動

3、是有內阻的，假設其內阻為 10 歐姆，在 10V 電壓下，最多能提供的峰值電流就是 1A，通常也認為其驅動能力為 1A。那什么叫驅動電阻呢，通常驅動器和 MOS 的 G 極之間，會串一個電阻，就如下圖 5 的R3。驅動電阻的作用，如果你的驅動走線很長，驅動電阻可以對走線電感和 MOS 結電容引起的震蕩起阻尼作用。 但是通常，現(xiàn)在的 PCB 走線都很緊湊，走線電感非常小。第二個，重要作用就是調解驅動器的驅動能力,調節(jié)開關速度。當然只能降低驅動能力,而不能提高。歐姆。下圖 6 是 MOS 的 G 極的電壓波形圖 60Q1300V1100R1IRF5HJ0圖 5圖 74那么驅動的快慢對 MOS 的開

4、關有什么影響呢？下圖 8 是 MOS 導通時候 DS 的電壓圖 9 是MOS 導通時候 DS 電流波形：可以看到，驅動電阻增加可以降低 MOS 開關的時候得電壓電流的變化率。比較慢的開關速度，對 EMI 有好處。下圖 10 是對兩個不同驅動情況下，MOS 的 DS 電壓波形做付利葉分析得到：圖 10圖 8紅色的是 R3=l 歐姆，綠色的是 R3=100歐姆。可見 R3越大，MOS的導通速度越慢。圖 9紅色的是 R3=1歐姆，綠色的是 R3=100 歐姆。可見 R3越大，MOS的導通速度越慢。/紅備紅色的是 R3=1歐姆， 綠色的是 R3=100歐姆。 可見，驅動電阻大的時候，高頻諧波明顯變小。

5、|-requen:/.rMHertz5但是驅動速度慢，又有什么壞處呢？那就是開關損耗大了，下圖 11 是不同驅動電阻下，導通損耗的功率曲線。圖 11結論：驅動電阻到底選多大？還真難講，小了，EMI 不好，大了，效率不好。所以只能一個折中的選擇了。那如果，開通和關斷的速度要分別調節(jié)，怎么辦？就用以下電路圖 12、圖 13。圖 1212MOSFETMOSFET 的自舉驅動：的自舉驅動：對于 NMOS 來說，必須是 G 極的電壓高于 S 極一定電壓才能導通。那么對于對 S 極和控制 IC 的地等電位的 MOS 來說，驅動根本沒有問題，如上圖。但是對于一些拓撲，比如 BUCK（開關管放在上端），雙管正

6、激，雙管反激，半橋，全橋這些拓撲的上管，就沒辦法直接用芯片去驅動，那么可以采用自舉驅動電路。紅色的是 R3=l歐姆， 綠色的是 R3=100歐姆?？梢?，驅動電阻大的時候，損耗明顯大了。圖 13136看下圖的 BUCK 電路：7圖 1414加入輸入 12V,MOS 的導通閥值為 3V,那么對于 Q1 來說，當 Q1 導通之后，如果要維持導通狀態(tài)，Q1 的 G 級必須保證 15V 以上的電壓，因為 S 級已經(jīng)有 12V 了。那么輸入才 12V，怎么得到 15V 的電壓呢？其實上管 Q1 驅動的供電在于 Cboot。圖 1515Cboot 是掛在 boot 和 LX 之間的，而 LX 卻是下管的 D

7、 級，當下管導通的時候，LX 接地，芯片的內部基準通過 Dboot（自舉二極管）對 Cboot 充電。當下管關，上管通的時候，LX 點的電壓上升，Cboot 上的電壓自然就被舉了起來。這樣驅動電壓才能高過輸入電壓。當然芯片內部的邏輯信號在提供給驅動的時候，還需要 Levelshift 電路，把信號的電平電壓也提上去。電源網(wǎng)電源網(wǎng)-H-1VTO+12V看下圖 15，芯片的內部結構：FB匸20LLAPWMIFdfanvtian.coinBOOTICOMPARATOR20kCOMPARATORBGATBBSOCCO：MP!EW口TGATE5VINT.ERRORPWMFIXEDJOOkHZOR600k

8、HzAMP5VINT.21.5|xASAMPLEMDHOLDINHIBITGATECONTROLLOGICINTERNALREGULATORPORANDSOFT-SlWRTOSCILLATOR8Buck 電路，現(xiàn)在有太多的控制芯片集成了自舉驅動，讓整個設計變得很簡單。但是對于，雙管的，橋式的拓撲，多數(shù)芯片沒有集成驅動。那樣就可以外加自舉驅動芯片，48V系統(tǒng)輸入的，可以采用 Intersil 公司的 ISL21XX,HIP21XX 系列。如果是 AC/DC 中，電壓比較高的，可以采用 IR 的 IR21XX 系列。下圖 16 是 ISL21XX 的內部框圖， 其核心的東西， 就是紅圈里的 boo

9、t 二極管， 和 Levelshift電路:圖 1616ISL21XX 驅動橋式電路示意圖：口EPAD(DFNPackageOnly)HBHOHSLO9驅動雙管電路圖 17：圖 17圖 18當然以上都是示意圖，沒有完整的外圍電路，但是外圍其實很簡單，參考 datasheet即可。zgthsx：LZ 是那個電壓對電容充電啊會沖到多少負啊有是怎么沖的能不能解釋一下?。縠chizen20：同過 CBOOTCBOOT 的的升壓？是不是自舉升壓的道理呢？tq5920：樓主您好，說道自舉電路，我想請教一般自舉電容和二極管應該如何選擇？有什么特別要求嗎？謝謝！sometimes：自舉電容主要在于其大小，該電

10、容在充電之后，就要對 MOS 的結電容充電，如果驅動電路上有其他功耗器件，也是該電容供電的。所以要求該電容足夠大，在提供電荷之后，電容上的電壓下跌最好不要超過原先值的 10%，這樣才能保證驅動電壓。但是也不用太大，太大的電容會導致二極管在充電的時候，沖擊電流過大。對于二極管，IEFIGURE1.TWO-SWITCHFORWARDCONVERTER+12V+4BVSECONDARYCIRCUITISL2110ISL21T1PWMISOLATION10由于平均電流不會太大，只要保證是快速二極管。當然，當自舉電壓比較低的時候，這個二極管的正向壓降，盡量選小的。tq5920：請問您有沒有用過 IR21

11、10 或 IR2111 芯片，在高頻時，自舉電容和二極管應該如何選擇？謝謝！sometimes：電容沒什么，磁片電容，幾百 n就可以了。但是二極管，要超快的，而且耐壓要夠。電流不用太大，1A足夠。leetao365366：樓主，請教您個問題。一般用 MOS 管驅動電機要注意哪些細節(jié)問題啊。其實 MOS 只是作為開關管，需要注意的是電機是感性器件，還有電機啟動時候的沖擊電流。還有堵轉時候的的啟動電流。（變壓器）隔離驅動lingqidian：詳細的講講隔離驅動吧，在正激拓撲中，我常見到驅動信號連接到一個推挽對管，然后連接一個2R 左右的電阻及一個電容然后連接到變壓器的初級端，在變壓器的次級端輸出驅

12、動信號給 MOS，這種驅動方式的優(yōu)點？變壓器初級串聯(lián)的電阻及電容如何設計？sometimes：隔離驅動。當控制和 MOS 處于電氣隔離狀態(tài)下，自舉驅動就無法勝任了，那么就需要隔離驅動了。下面來討論隔離驅動中最常用的，變壓器隔離驅動。Ez八度八度：很好很實用的東西，對我們這樣的只知道要加下拉電阻不知道其作用的人來說很好懂，期待旅長更多看似很基礎實際很受用的課程edifierwjq：請問在大功率的系統(tǒng)中如果有幾個開關管并聯(lián)，還能用上文介紹的那些高端驅動芯片來驅動嗎？sometimes：可以的，但是你要選擇驅動能力強的 IC。看個最簡單的隔離驅動電路，被驅動的對象是 Q1。100R3IRF530圖

13、19圖 2222 圖 232311驅動源參數(shù)為 12V，100KHz，D=0.5。其平均電壓為 6V,但是峰峰值， 卻有 2V,顯然 C1 不夠大， 導致驅動信號最終不夠平。 那么把 C1 變?yōu)?470n。Q1-G 的電壓波形就變成如下圖 22：綠色紅色波形為驅動源 V1 的輸出，綠色為 Q1 的 G 級波形?？梢钥吹?，Q1-G 的波形為具有正負電壓的方波，幅值 6V 了。為什么驅動電壓會下降呢，是因為V1的電壓直流分量，完全被 C1阻擋了。所以 C1也 稱 為 隔 直 電容。驅動變壓器電感量為 200uH，匝比為 1：1。圖 20圖 2612驅動電壓變得平緩了些。如果把驅動變壓器的電感量增加

14、到 500uH。驅動信號就如上圖 23。驅動信號顯得更為平緩。lingqidian：其平均電壓為 6V,但是峰峰值，卻有 2V,顯然 C1 不夠大，導致驅動信號最終不夠平。請問這句話怎么理解,C1 如果增大的話，由于對 C1 的存放電，驅動信號到 G 極后應該會更平滑，上升及下降都會變慢吧？但看你的仿真圖好像更好了？串接 R、C 的取值如何計算？或者選擇？sometimes：C1大的話，C1上的電壓就會比較平穩(wěn)，波動比較小，那么對驅動的影響就會變小。smallmore：樓主，我做了一個全橋的驅動，上面的不是平的，而是有一圓弧型的包包，再斜斜的下來，最后有一小段是平的，加大電容怎么調都是這樣，是

15、怎么回事呀？請賜教！謝謝！sometimes：這個可能和你的驅動變壓器的漏感有關系。從這里可以看到，這種驅動，有個明顯的特點，就是驅動電平，最終到達 MOS 的時候，電壓幅度減小了，具體減小多少呢，應該是 D*V,D 為占空比，那么如果 D 很大的話，驅動電壓就會變得很小，如下圖 24,D=0.9圖 24圖 25圖 2424 中，發(fā)現(xiàn)驅動到達 MOSMOS 的時候，正壓不到 2V2V 了。顯然這種驅動不適合占空比大的情況。從上面可以看到，在驅動工作的時候，其實 C1C1 上面始終有一個電壓存在，電壓平均值為 V*DV*D，也就是說這個電容存儲著一定的能量。那么這個能量的存在，會帶來什么問題呢？

16、下面模擬驅動突然掉電的情況，如圖 2525：可見，在驅動突然關掉之后，C1C1 上的能量，會引起驅動變的電感，C1C1 以及 mosmos 的結電容之間的諧振。如果這個諧振電壓足夠高的話，就會觸發(fā) MOSMOS 管，對可靠性帶來危害。那么如何來降低這個震蕩呢，在 GS 上并個電阻，下圖 26是并了 1K電阻之后波形：但是這個電阻會給13如何傳遞大占空比的驅動?看一個簡單的驅動電路。圖 27：xzszrs：這個電路的神奇之處就是采用了 D1 的電平平移電路，使負電平平移到接近 0V!相對而言提高了正向電平（絕對值電平是不變的）。進一步發(fā)揮的話 D1 可以改為兩個背靠背的穩(wěn)壓二極管，比如上管為 1

17、5V,下管為 5V,這樣可以提供+15V，-5V 的驅動電平驅動 IGBT.當然次級加上一個由 P 三極管組成的放電回路就更好了。hsym_101584：“這個電路的神奇之處就是采用了 D1 的電平平移電路，使負電平平移到接近 0V!“這句話該怎么理解呢？hsym_101584：比如占空比 D=0.9，輸入電壓 Vin=10V，那么此時原邊的隔直電容上的直流壓降為 D*Vin=9V，原邊繞組上的壓降為 IV。當輸入電平為低的時候，原邊隔直電容 9V 加在原邊繞組上，感應到副邊為下正上負，通過二極管 D1 給電容 C2 充電，C2 充滿后為左負右正，9V。當輸入電平變高時，原邊繞組電壓為 IV，

18、上正下負，感應到副邊,使副邊繞組壓降跳變到上正下負， IV。 由于電容C2兩端電壓不能突變， 要保持9V的壓差， 所以C2右端的電壓變?yōu)?+9=10V。圖 27當 D=0.9的時候，如圖 28圖 3314圖 2828同樣，這個電路在驅動掉電的時候，比如關機，也會出現(xiàn)震蕩，如圖 29。而且似乎這個問題比上面的電路還嚴重。下面嘗試降低這個震蕩，首先把 R5 改為 1K,如圖 30o:J|4-4H2.E352.1542.S42.552.E)52.362.ES62.372.E752.38紅色波形為驅動源輸出，綠色為到達 MOS的波形。 基本保持了驅動源的波形。Time/mSecs5uSecs/div圖

19、 3315圖 29圖 30確實有改善，但問題還是嚴重，繼續(xù)在 C2 上并一個 1K 的電阻。如圖 31：綠色的波形，確實更改善了一些，但是問題還是存在。這是個可靠性的隱患。對于這個問題如何解決呢？可以采用 softstop 的方式來關機。softstop其實就是 softstart 的反過程，就是在關機的時候，讓驅動占空比從大往小變化，直到關機。很多 IC 已經(jīng)集成了該功能?？煽吹?，驅動信號在關機的時候，沒有了上面的那些震蕩。圖 3131半橋全橋驅動半橋全橋驅動對于半橋，全橋的驅動，由于具有兩相驅動，而且相位差為180 度那么如何用隔離變壓器來驅動呢？如圖 33：采用一拖二的方式，可以來驅動兩

20、個管子。下圖 323216圖 3434 是兩個驅動源的波形；通過變壓器傳遞之后，到達 MOS會變成如圖 35的波形：圖 3535在有源鉗位，不對稱半橋，以及同步整流等場合，需要一對互補的驅動，那么怎么用一路驅動來產(chǎn)生互Time/uSecs丨-_.5uSecs/div電源網(wǎng)電源網(wǎng)圖 37圖 3434補驅動，并且形成死區(qū)?？捎孟聢D 36；其波形如圖 37：17圖 3838圖 393918圖 38 可用。一般情況下不建議 MOS 并聯(lián)使用，因為 MOS 并聯(lián)，對驅動的一致性要求就很高了，如果導通，關斷時間不一致，會導致其中一個 MOS 開關損耗劇增。所以在軟開關電路上，用 MOS 并聯(lián)問題比較少，但

21、是硬開關電路，就要小心了。下面用仿真來看現(xiàn)象，假設兩個 MOS 并聯(lián)，而且 MOS 的參數(shù)完全一樣。但是驅動走線的寄生參數(shù)有很大不同。圖 40 中 R2,R4,L1,L2 都為驅動走線的寄生參數(shù)。那么下圖 41 為導通時候，兩個 mos的電流，從圖中看出兩管基本上還算一致。圖 4040接下去，把兩個驅動電阻并聯(lián)起來一起去驅動兩個 MOS 管，如圖 42；其導通時候的電流波形如圖 43：兩管子的電流波形，均出現(xiàn)劇烈震蕩。圖 4242 圖 4343showtime2303：您好，我看到蜘蛛大哥的帖子中提到了可以將一個大 FET 和一個小 FET 并聯(lián)，讓大 FET 先關后開，將大 FET 的開關過

22、程搞軟，降低其開通損耗，不是很明白，想請 sometimes 大哥分析仿真一下這種情況。sometimes：兩個 fet 并聯(lián)，先開的那個 mos 要承受開通損耗，因為一個開通之后，mos 的 ds 電壓降到 0,之后另外一個管子開通，就是 0 電壓開通了，后關的那個要承受關斷損耗。所以這樣做可以讓開關損耗全部由小 FET 來承受，但只這種只不過分散了損耗而已。showtime2303：這樣做對效率的提高沒有實質性的幫助嗎？sometimes：這個應該說會對驅動有好處，在驅動大管子的時候， 由于沒有米勒效應， 可以降低驅動損耗， 并且對驅動能力要求不高。 但是對于主電路的損耗，我覺得沒有太大用

23、。圖 414119lijieamd:我想問問 sometimes 大俠關于雙 NMOS 的半橋結構的驅動問題。問題是這樣的：電路如圖 44,半橋的上下管都是 NMOS,上管柵極驅動采用 18V 電源，下管柵極驅動采用 12V 電源,當上管驅動是關閉的情況下（也就是上橋臂驅動的 PNP 管打開,NPN 管關閉），下管進行 PWM 驅動,這個時候上管的柵極也會出現(xiàn)一個比較小幅度的 PWM,但是尖峰比較大,大概有 4V,這導致很小的一段時間上下管導通， 耗散非常大。我猜想可能是通過下管的柵漏電容 CGD 給耦合到上管的柵源電容上去了,想問問如何解決這個問題,sometimes：在GS并個電阻，改善你

24、的驅動走線， 可能你的驅動線太長了，降低你的開關速度， 也能減低尖峰。Pmos 的驅動：下圖 4545 為 PmosPmos 管：PmosPmos 要求 GSGS 的電壓是負的，也就是 G G 的電壓要比 S S 的低，才能導通。那么，如果 SDSD 承受高壓，G G 只要比 S S 的電壓低一點就能導通，但是一旦 SDSD 導通，G G 必須維持負壓才能導通。而 GSGS 的耐壓是很低的，這就很麻煩了。一般在電源中最常見的 PmosPmos 應用，就有有源鉗位。有源鉗位的 Pmos，是 S 級接地的，那么要保持導通，G 級必須要有負壓才行。那么如何產(chǎn)生負壓呢，可以采用下圖 46的驅動方式；其

25、波形如圖 47所示：SQ Q謝謝了！DP-ChannelMOSFET_20Q1IRFD15F5O5圖 4545 圖 464621-z-Lr-i_r-1Lr-1z-1牛4：30to工I4E；047T04E304!：10圖 4747sdgcy：請教一個我很長時間都沒有搞明白的問題，就是用自舉電路驅動 MOS 的時候，我發(fā)現(xiàn)有好多廠家在處理自舉電路 PCB的時候，都有這么一個現(xiàn)象，就是自舉電容的負極（也就是和上橋 MOS 的源極相連的極）到上橋 MOS的源極之間的連線用蛇形線，不知道這樣做的左右是什么？22討論部分edifierwjq：有問題想請教下樓主，最近在調試全橋電路，發(fā)現(xiàn)當輸入電壓加到 10

26、0V 的時候驅動波形就不對了，Vgs 會出現(xiàn)一個跌落，如示波器截圖所示，輸入電壓再升高一些就會出現(xiàn)橋臂直通的情況，同一橋臂的兩個管子就燒掉了。我是利用光耦 A3120 來驅動橋臂的四個開關管的。希望得到您的幫助，謝謝了！sometimes：你的波形呢？有可能是驅動能力不夠edifierwjq：不好意思，第一次來咱們論壇，還沒搞清楚如何上傳圖片，等下就上傳上去。究竟怎樣定義電源的驅動能力呢？A3120 的電流驅動能力是 2A,電壓源用的是實驗室那種很笨重的直流源，其電流輸出能力為 3A,應該夠驅動 MOSFET 了吧？最近我也在學習有關 MOSFET 的特性及驅動技術，看得有些頭大，希望能夠得到您的幫助。這個是我的實驗截圖，3 通道的是 Vgs 的波形，為什么會出現(xiàn)這么大的跌落呢？請幫忙給分析一下。sometimes：你這個跌落有點厲害，能把驅動電路貼出來么？還有你測試的時候，把