MOSFET的驅動技術詳解

1、MOSFET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，其驅動外表上看來是非常簡單，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)現(xiàn)電壓波形如圖2所示。 圖1 圖2這種情況有

2、什么危害呢？實際情況下，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GS之間并一個電阻。其仿真的結果如圖4。幾乎為0V。圖3 圖4什么叫驅動能力，很多PWM芯片，或者專門的驅動芯片都會說驅動能力，比方384X的驅動能力為1A，其含義是什么呢？假設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

3、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，就如下列圖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。 圖5對上圖進行仿真，R3分別取1歐姆，和100歐姆。下列圖6是MOS的G極的電壓波形上升沿。圖7是驅動的下降沿(G極電壓)。 圖6 圖7那么驅動的快慢對MOS的開關有什么影響呢？下列圖8是MOS導通時候DS的電壓：圖9是MOS導通時候DS電流波形： 圖8

4、 圖9紅色的是R3=1歐姆，綠色的是R3=100歐姆?？梢奟3越大，MOS的導通速度越慢。紅色的是R3=1歐姆，綠色的是R3=100歐姆?？梢奟3越大，MOS的導通速度越慢?？梢钥吹?，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。下列圖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：紅色的是R3=1歐姆，綠色的是R3=100歐姆?？梢姡寗与娮璐蟮臅r候，高頻諧波明顯變小。 圖10但是驅動速度慢，又有什么害處呢？那就是開關損耗大了，下列圖11是不同驅動電阻下，導通損耗的功率曲線。紅色的是R3=1歐姆，綠色的是R3=100歐姆。可見，驅

5、動電阻大的時候，損耗明顯大了。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12 圖13MOSFET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，比方BUCK開關管放在上端，雙管正激，雙管反激，半橋，全橋這些拓撲的上管，就沒方法直接用芯片去驅動，那么可以采用自舉驅動電路?？聪铝袌D的BUCK電路： 圖14加入輸入12V，MOS的導通閥值為

6、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?？聪铝袌D15，芯片的內部結構： 圖15Cboot是掛在boot和LX之間的，而LX卻是下管的D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應驅動的時候，還需要Level shift電路，把信號的電平電壓也提上去。Buc

7、k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。下列圖16是ISL21XX的內部框圖，其核心的東西，就是紅圈里的boot二極管，和Level shift電路：  圖16ISL21XX驅動橋式電路示意圖：  驅動雙管電路圖17：   圖17驅動有源鉗位如圖18： 圖18當然以上都是示意圖，沒有

8、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  能不能解釋一下啊？echizen20：同過CBOOT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

9、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，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IR2110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。

10、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：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 ed

11、ifierwjq：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。 圖19驅動源參數(shù)為12V ，100KHz， D=0.5。驅動變壓器電感量為200uH，匝比為1：1。紅色波形為驅動源V1的輸出，綠色為Q1的G級波形?？梢钥吹剑琎1-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。圖20下列圖21為C1上的電壓。 圖21其平均電壓為6V，但是峰峰值，卻有2V，顯然C1不夠

12、大，導致驅動信號最終不夠平。那么把C1變?yōu)?70n。Q1-G的電壓波形就變成如下列圖22： 圖22 圖23驅動電壓變得平緩了些。如果把驅動變壓器的電感量增加到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？ 但看你的仿真圖好似更好了？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

13、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，如下列圖24 圖24 圖25圖24中，發(fā)現(xiàn)驅動到達MOS的時候，正壓不到2V了。顯然這種驅動不適合占空比大的情況。從上面可以看到，在驅開工

14、作的時候，其實C1上面始終有一個電壓存在，電壓平均值為V*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？下面模擬驅動突然掉電的情況，如圖25：可見，在驅動突然關掉之后，C1上的能量，會引起驅動變的電感，C1以及mos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)MOS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，下列圖26是并了1K電阻之后波形：但是這個電阻會給驅動帶來額外的損耗。 圖26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

15、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，比方上管為15V,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：比方占空比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1V。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

16、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1V，上正下負，感應到副邊，使副邊繞組壓降跳變到上正下負，1V。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，如圖28紅色波形為驅動源輸出，綠色為到達MOS的波形?；颈３至蓑寗釉吹牟ㄐ?。 圖28同樣，這個電路在驅動掉電的時候，比方關機，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30。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

17、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soft stop的方式來關機。soft stop其實就是soft start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?？煽吹剑寗有盘栐陉P機的時候，沒有了上面的那些震蕩。 圖31 圖32 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，可以來驅動兩個管子。下圖33圖34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34 圖35在有源鉗位，不對稱半橋，以及同步整流等場合，需要一

18、對互補的驅動，那么怎么用一路驅動來產(chǎn)生互補驅動，并且形成死區(qū)?？捎孟铝袌D36；其波形如圖37： 圖36 圖37MOSFET的并聯(lián)驅動，由于MOS經(jīng)常采用并聯(lián)的方式工作，那么驅動又該如何設計呢？是按圖38呢？還是按圖39設計呢？ 圖38 圖39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，L

19、2都為驅動走線的寄生參數(shù)。那么下列圖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40 圖41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42 圖43showtime2303：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

20、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。lijieamd：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

21、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,謝謝了！ 圖44 sometimes：在GS并個電阻，改善你的驅動走線，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：下列圖45為Pmos管：Pmos要求GS的電壓是負的，也就是G的電壓要比S的低，才能導通。那么，如果SD承受高壓，G只要比S的電壓低一點就能導通，但是一旦SD導通，G必須維持負壓才能導

22、通。而GS的耐壓是很低的，這就很麻煩了。一般在電源中最常見的Pmos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，可以采用下列圖46的驅動方式；其波形如圖47所示： 圖45 圖46 圖47 sdgcy：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？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

23、輸入電壓加到100V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？請幫助給分析一下。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，把探頭的地線回路弄小點。edifierwjq：就是這樣直接拿高速光耦3120進行驅動的，感覺好似簡陋了些，呵呵。直接把光耦副邊的地接到高端MOSFET的S