MOSFET的驱动技术详解.docx

1、MOSFET的驱动技术详解MOSFET的驱动技术详解simtriex/simplis仿真电路用软件MOSFET作为功率开关管，已经是是开关电源领域的绝对主力器件。虽然MOSFET作为电压型驱动器件，其驱动外表上看来是非常简单，但是详细分析起来并不简单。下面我会花一点时间，一点点来解析MOSFET的驱动技术，以及在不同的应用，应该采用什么样的驱动电路。首先，来做一个实验，把一个MOSFET的G悬空，然后在DS上加电压，那么会出现什么情况呢？很多工程师都知道，MOS会导通甚至击穿。这是为什么呢？我根本没有加驱动电压，MOS怎么会导通？用下面的图1，来做个仿真；去探测G极的电压，发现电压波形如图2所

2、示。 图1 图2这种情况有什么危害呢？实际情况下，MOS肯定有驱动电路的么，要么导通，要么关掉。问题就出在开机，或者关机的时候，最主要是开机的时候，此时你的驱动电路还没上电。但是输入上电了，由于驱动电路没有工作，G级的电荷无法被释放，就容易导致MOS导通击穿。那么怎么解决呢？在GS之间并一个电阻。其仿真的结果如图4。几乎为0V。图3 图4什么叫驱动能力，很多PWM芯片，或者专门的驱动芯片都会说驱动能力，比方384X的驱动能力为1A，其含义是什么呢？假设驱动是个理想脉冲源，那么其驱动能力就是无穷大，想提供多大电流就给多大。但实际中，驱动是有内阻的，假设其内阻为10欧姆，在10V电压下，最多能提供

3、的峰值电流就是1A，通常也认为其驱动能力为1A。那什么叫驱动电阻呢，通常驱动器和MOS的G极之间，会串一个电阻，就如下列图5的R3。驱动电阻的作用，如果你的驱动走线很长，驱动电阻可以对走线电感和MOS结电容引起的震荡起阻尼作用。但是通常，现在的PCB走线都很紧凑，走线电感非常小。第二个，重要作用就是调解驱动器的驱动能力，调节开关速度。当然只能降低驱动能力，而不能提高。 图5对上图进行仿真，R3分别取1欧姆，和100欧姆。下列图6是MOS的G极的电压波形上升沿。图7是驱动的下降沿(G极电压)。 图6 图7那么驱动的快慢对MOS的开关有什么影响呢？下列图8是MOS导通时候DS的电压：图9是MOS导

4、通时候DS电流波形： 图8 图9红色的是R3=1欧姆，绿色的是R3=100欧姆。可见R3越大，MOS的导通速度越慢。红色的是R3=1欧姆，绿色的是R3=100欧姆。可见R3越大，MOS的导通速度越慢。可以看到，驱动电阻增加可以降低MOS开关的时候得电压电流的变化率。比较慢的开关速度，对EMI有好处。下列图10是对两个不同驱动情况下，MOS的DS电压波形做付利叶分析得到：红色的是R3=1欧姆，绿色的是R3=100欧姆。可见，驱动电阻大的时候，高频谐波明显变小。 图10但是驱动速度慢，又有什么害处呢？那就是开关损耗大了，下列图11是不同驱动电阻下，导通损耗的功率曲线。红色的是R3=1欧姆，绿色的是

5、R3=100欧姆。可见，驱动电阻大的时候，损耗明显大了。图11结论：驱动电阻到底选多大？还真难讲，小了，EMI不好，大了，效率不好。所以只能一个折中的选择了。那如果，开通和关断的速度要分别调节，怎么办？就用以下电路图12、图13。 图12 图13MOSFET的自举驱动：对于NMOS来说，必须是G极的电压高于S极一定电压才能导通。那么对于对S极和控制IC的地等电位的MOS来说，驱动根本没有问题，如上图。但是对于一些拓扑，比方BUCK开关管放在上端，双管正激，双管反激，半桥，全桥这些拓扑的上管，就没方法直接用芯片去驱动，那么可以采用自举驱动电路。看下列图的BUCK电路： 图14加入输入12V，MO

6、S的导通阀值为3V，那么对于Q1来说，当Q1导通之后，如果要维持导通状态，Q1的G级必须保证15V以上的电压，因为S级已经有12V了。那么输入才12V，怎么得到15V的电压呢？其实上管Q1驱动的供电在于 Cboot。看下列图15，芯片的内部结构： 图15Cboot是挂在boot和LX之间的，而LX却是下管的D级，当下管导通的时候，LX接地，芯片的内部基准通过Dboot自举二极管对Cboot充电。当下管关，上管通的时候，LX点的电压上升，Cboot上的电压自然就被举了起来。这样驱动电压才能高过输入电压。当然芯片内部的逻辑信号在提供应驱动的时候，还需要Level shift电路，把信号的电平电压也

7、提上去。Buck电路，现在有太多的控制芯片集成了自举驱动，让整个设计变得很简单。但是对于，双管的，桥式的拓扑，多数芯片没有集成驱动。那样就可以外加自举驱动芯片，48V系统输入的，可以采用Intersil公司的ISL21XX，HIP21XX系列。如果是AC/DC中，电压比较高的，可以采用IR的IR21XX系列。下列图16是ISL21XX的内部框图，其核心的东西，就是红圈里的boot二极管，和Level shift电路： 图16ISL21XX驱动桥式电路示意图：驱动双管电路图17： 图17驱动有源钳位如图18：图18当然以上都是示意图，没有完整的外围电路，但是外围其实很简单，参考datasheet

8、即可。zgthsx：LZ 是那个电压对电容充电啊 会冲到多少负啊 有是怎么冲的 能不能解释一下啊？echizen20：同过CBOOT的的升压？是不是自举升压的道理呢？tq5920：楼主您好，说道自举电路，我想请教一般自举电容和二极管应该如何选择？有什么特别要求吗？谢谢！sometimes：自举电容主要在于其大小，该电容在充电之后，就要对MOS的结电容充电，如果驱动电路上有其他功耗器件，也是该电容供电的。所以要求该电容足够大，在提供电荷之后，电容上的电压下跌最好不要超过原先值的10%，这样才能保证驱动电压。但是也不用太大，太大的电容会导致二极管在充电的时候，冲击电流过大。对于二极管，由于平均电流

9、不会太大，只要保证是快速二极管。当然，当自举电压比较低的时候，这个二极管的正向压降，尽量选小的。tq5920：请问您有没有用过IR2110或IR2111芯片，在高频时，自举电容和二极管应该如何选择？谢谢！sometimes：电容没什么，磁片电容，几百n就可以了。但是二极管，要超快的，而且耐压要够。电流不用太大，1A足够。leetao365366：楼主，请教您个问题。一般用MOS管驱动电机要注意哪些细节问题啊。其实MOS只是作为开关管，需要注意的是电机是感性器件，还有电机启动时候的冲击电流。还有堵转时候的的启动电流。(变压器)隔离驱动lingqidian：详细的讲讲隔离驱动吧，在正激拓扑中，我常

10、见到驱动信号连接到一个推挽对管，然后连接一个2R左右的电阻及一个电容然后连接到变压器的初级端，在变压器的次级端输出驱动信号给MOS，这种驱动方式的优点？变压器初级串联的电阻及电容如何设计？sometimes：隔离驱动。当控制和MOS处于电气隔离状态下，自举驱动就无法胜任了，那么就需要隔离驱动了。下面来讨论隔离驱动中最常用的，变压器隔离驱动。Ez八度：很好很实用的东西，对我们这样的只知道要加下拉电阻不知道其作用的人来说很好懂，期待旅长更多看似很基础实际很受用的课程edifierwjq：请问在大功率的系统中如果有几个开关管并联，还能用上文介绍的那些高端驱动芯片来驱动吗？sometimes：可以的，

11、但是你要选择驱动能力强的IC。看个最简单的隔离驱动电路，被驱动的对象是Q1。 图19驱动源参数为12V ，100KHz， D=0.5。驱动变压器电感量为200uH，匝比为1：1。红色波形为驱动源V1的输出，绿色为Q1的G级波形。可以看到，Q1-G的波形为具有正负电压的方波，幅值6V了。为什么驱动电压会下降呢，是因为V1的电压直流分量，完全被C1阻挡了。所以C1也称为隔直电容。图20下列图21为C1上的电压。 图21其平均电压为6V，但是峰峰值，却有2V，显然C1不够大，导致驱动信号最终不够平。那么把C1变为470n。Q1-G的电压波形就变成如下列图22： 图22 图23驱动电压变得平缓了些。如

12、果把驱动变压器的电感量增加到500uH。驱动信号就如上图23。驱动信号显得更为平缓。lingqidian：其平均电压为6V，但是峰峰值，却有2V，显然C1不够大，导致驱动信号最终不够平。请问这句话怎么理解，C1如果增大的话，由于对C1的存放电，驱动信号到G极后应该会更平滑，上升及下降都会变慢吧？ 但看你的仿真图好似更好了？串接R、C的取值如何计算？或者选择？sometimes：C1大的话，C1上的电压就会比较平稳，波动比较小，那么对驱动的影响就会变小。smallmore：楼主， 我做了一个全桥的驱动，上面的不是平的，而是有一圆弧型的包包，再斜斜的下来，最后有一小段是平的，加大电容 怎么调都是这

13、样， 是怎么回事呀？ 请赐教！谢谢！sometimes：这个可能和你的驱动变压器的漏感有关系。从这里可以看到，这种驱动，有个明显的特点，就是驱动电平，最终到达MOS的时候，电压幅度减小了，具体减小多少呢，应该是D*V,D为占空比，那么如果D很大的话，驱动电压就会变得很小，如下列图24 图24 图25图24中，发现驱动到达MOS的时候，正压不到2V了。显然这种驱动不适合占空比大的情况。从上面可以看到，在驱开工作的时候，其实C1上面始终有一个电压存在，电压平均值为V*D，也就是说这个电容存储着一定的能量。那么这个能量的存在，会带来什么问题呢？下面模拟驱动突然掉电的情况，如图25：可见，在驱动突然关

14、掉之后，C1上的能量，会引起驱动变的电感，C1以及mos的结电容之间的谐振。如果这个谐振电压足够高的话，就会触发MOS管，对可靠性带来危害。那么如何来降低这个震荡呢，在GS上并个电阻，下列图26是并了1K电阻之后波形：但是这个电阻会给驱动带来额外的损耗。 图26如何传递大占空比的驱动? 看一个简单的驱动电路。图27：xzszrs：这个电路的神奇之处就是采用了D1的电平平移电路，使负电平平移到接近0V!相对而言提高了正向电平绝对值电平是不变的。进一步发挥的话D1可以改为两个背靠背的稳压二极管，比方上管为15V,下管为5V,这样可以提供+15V，-5V的驱动电平驱动IGBT.当然次级加上一个由P三

15、极管组成的放电回路就更好了。hsym_101584：“这个电路的神奇之处就是采用了D1的电平平移电路，使负电平平移到接近0V!“这句话该怎么理解呢？hsym_101584：比方占空比D=0.9，输入电压Vin=10V，那么此时原边的隔直电容上的直流压降为D*Vin=9V，原边绕组上的压降为1V。当输入电平为低的时候，原边隔直电容9V加在原边绕组上，感应到副边为下正上负，通过二极管D1给电容C2充电，C2充满后为左负右正，9V。当输入电平变高时，原边绕组电压为1V，上正下负，感应到副边，使副边绕组压降跳变到上正下负，1V。由于电容C2两端电压不能突变，要保持9V的压差，所以C2右端的电压变为1+

16、9=10V。图27，如图28红色波形为驱动源输出，绿色为到达MOS的波形。基本保持了驱动源的波形。 图28同样，这个电路在驱动掉电的时候，比方关机，也会出现震荡，如图29。而且似乎这个问题比上面的电路还严重。下面尝试降低这个震荡，首先把R5改为1K，如图30。图29 图30确实有改善，但问题还是严重，继续在C2上并一个1K的电阻。如图31：绿色的波形，确实更改善了一些，但是问题还是存在。这是个可靠性的隐患。对于这个问题如何解决呢？可以采用soft stop的方式来关机。soft stop其实就是soft start的反过程，就是在关机的时候，让驱动占空比从大往小变化，直到关机。很多IC已经集成

17、了该功能。可看到，驱动信号在关机的时候，没有了上面的那些震荡。 图31 图32 半桥全桥驱动 对于半桥，全桥的驱动，由于具有两相驱动，而且相位差为180度，那么如何用隔离变压器来驱动呢？如图33：采用一拖二的方式，可以来驱动两个管子。下图33图34是两个驱动源的波形；通过变压器传递之后，到达MOS会变成如图35的波形： 图34 图35在有源钳位，不对称半桥，以及同步整流等场合，需要一对互补的驱动，那么怎么用一路驱动来产生互补驱动，并且形成死区。可用下列图36；其波形如图37：图36 图37MOSFET的并联驱动，由于MOS经常采用并联的方式工作，那么驱动又该如何设计呢？是按图38呢？还是按图3

18、9设计呢？ 图38 图39图38可用。一般情况下不建议MOS并联使用，因为MOS并联，对驱动的一致性要求就很高了，如果导通，关断时间不一致，会导致其中一个MOS开关损耗剧增。所以在软开关电路上，用MOS并联问题比较少，但是硬开关电路，就要小心了。下面用仿真来看现象，假设两个MOS并联，而且MOS的参数完全一样。但是驱动走线的寄生参数有很大不同。图40中R2，R4，L1，L2都为驱动走线的寄生参数。那么下列图41为导通时候，两个mos的电流，从图中看出两管基本上还算一致。 图40 图41接下去，把两个驱动电阻并联起来一起去驱动两个MOS管，如图42；其导通时候的电流波形如图43：两管子的电流波形

19、，均出现剧烈震荡。 图42 图43showtime2303：您好，我看到蜘蛛大哥的帖子中提到了可以将一个大FET和一个小FET并联，让大FET先关后开，将大FET的开关过程搞软，降低其开通损耗，不是很明白，想请sometimes大哥分析仿真一下这种情况。sometimes：两个fet并联，先开的那个mos要承受开通损耗，因为一个开通之后，mos的ds电压降到0，之后另外一个管子开通，就是0电压开通了，后关的那个要承受关断损耗。所以这样做可以让开关损耗全部由小FET来承受，但只这种只不过分散了损耗而已。showtime2303：这样做对效率的提高没有实质性的帮助吗？sometimes：这个应该说

20、会对驱动有好处，在驱动大管子的时候，由于没有米勒效应，可以降低驱动损耗，并且对驱动能力要求不高。但是对于主电路的损耗，我觉得没有太大用。lijieamd：我想问问sometimes大侠关于双NMOS的半桥结构的驱动问题。问题是这样的: 电路如图44,半桥的上下管都是NMOS,上管栅极驱动采用18V电源,下管栅极驱动采用12V电源,当上管驱动是关闭的情况下(也就是上桥臂驱动的PNP管打开,NPN管关闭),下管进行PWM驱动,这个时候上管的栅极也会出现一个比较小幅度的PWM,但是尖峰比较大,大概有4V,这导致很小的一段时间上下管导通,耗散非常大。我猜想可能是通过下管的栅漏电容CGD给耦合到上管的栅

21、源电容上去了,想问问如何解决这个问题,谢谢了！ 图44sometimes：在GS并个电阻，改善你的驱动走线，可能你的驱动线太长了，降低你的开关速度，也能减低尖峰。Pmos的驱动：下列图45为Pmos管：Pmos要求GS的电压是负的，也就是G的电压要比S的低，才能导通。那么，如果SD承受高压，G只要比S的电压低一点就能导通，但是一旦SD导通，G必须维持负压才能导通。而GS的耐压是很低的，这就很麻烦了。一般在电源中最常见的Pmos应用，就有有源钳位。有源钳位的Pmos，是S级接地的，那么要保持导通，G级必须要有负压才行。那么如何产生负压呢，可以采用下列图46的驱动方式；其波形如图47所示： 图45

22、 图46 图47sdgcy：请教一个我很长时间都没有搞明白的问题，就是用自举电路驱动MOS的时候，我发现有好多厂家在处理自举电路PCB的时候，都有这么一个现象，就是自举电容的负极也就是和上桥MOS的源极相连的极到上桥MOS的源极之间的连线用蛇形线，不知道这样做的左右是什么？讨论部分edifierwjq：有问题想请教下楼主，最近在调试全桥电路，发现当输入电压加到100V的时候驱动波形就不对了，Vgs会出现一个跌落，如示波器截图所示，输入电压再升高一些就会出现桥臂直通的情况，同一桥臂的两个管子就烧掉了。我是利用光耦A3120来驱动桥臂的四个开关管的。希望得到您的帮助，谢谢了！sometimes：你

23、的波形呢？有可能是驱动能力不够edifierwjq：不好意思，第一次来咱们论坛，还没搞清楚如何上传图片，等下就上传上去。究竟怎样定义电源的驱动能力呢？A3120的电流驱动能力是2A，电压源用的是实验室那种很笨重的直流源，其电流输出能力为3A，应该够驱动MOSFET了吧？最近我也在学习有关MOSFET的特性及驱动技术，看得有些头大，希望能够得到您的帮助。这个是我的实验截图，3通道的是Vgs的波形，为什么会出现这么大的跌落呢？请帮助给分析一下。sometimes：你这个跌落有点厉害，能把驱动电路贴出来么？还有你测试的时候，把探头的地线回路弄小点。edifierwjq：就是这样直接拿高速光耦3120

24、进行驱动的，感觉好似简陋了些，呵呵。直接把光耦副边的地接到高端MOSFET的S端。当全桥输入比较低的时候驱动是正常的，当输入电压升高，功率加大后就会出现上面所述的问题。sometimes：你首先要检测一下C5的电压，看有没有跌落，其次，可以适当减少R7的阻值，观察R7输入电压的上升斜率是否足够快。还有你的mos是什么型号的？edifierwjq：MOSFET用的是英飞凌的47N60C3 coolmos。15V供电我是拿实验室的那种很笨重的辅助电源提供的，它面板上有电压提示，我发现随着主电路功率的提高，辅助电源面板上显示的读数就降下来了，而且在不停地波动，难道是辅助电源功率不够？这电源能够提供3

25、A的输出电流，貌似应该足够了呀。HCPL3120能够提供2A的驱动电流。我增大门极驱动电阻会不会好些呢？增大这个电阻会抑制Vgs的震荡，但同时会增加导通时间，增大开通损耗。sometimes：从功率的角度来说，3A绝对够了。0.3A都够了。但是要看你这个电源的动态好不好，所以你还是要用示波器去测试电容上的电压波形。2A的驱动电流稍显不够，但理论上，不会出现这么大的跌落；当然还要看你的电源线长不长。edifierwjq：恩，经您这么一说我发现电源线确实拉得挺长，这样的话就引入了不少的电感，这是不是就是所谓的震铃现象啊？加大门极驱动电阻是不是会好些呢？sometimes：如果你的供电出了问题，加大电阻是没有用的。showtime2303：sometimes大哥，您能把Vds与Ids与Vgs的仿真曲线放在一张图中吗？我想知道vds和ids是不是同时变化的，为什么书上讲的大部分情况下，ids升到最高时，vds才开始变化。这样对效率会不会影响很大？怎么改善？sometimes：假设电路是理想的，确实会如书上所讲。只有在整流管电流下降到0，开关管上的电压才开始下降。但是实际上，由于 漏感，线路寄身电感等参数的影响。有所不同。