MOSFET注意点

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    MOSFET注意点,驱动问题

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    MOS 管的注意点 中心议题: • 两种典型的 MOSFET 驱动电路的工作原理 • 两种驱动电路在使用过程中的优缺点 • 在设计 MOSFET 驱动线路时应注意的问题 解决方案: • 在开始设计之前全面了解所选 MOSFET 的参数 • 在线路设计阶段必须进行热设计 • 尽量缩短开关时间,将开关损耗降到最低 电动自行车具有环保节能,价格合适,无噪声,便利等特点,因此,电动自行车 成为当今社会人们主要的代步工具。与此同时,消费者和商家对整车的质量及可 靠性要求也越来越高。作为整车四大件之一的控制器的可靠性显得尤为重要。功 率 MOSFET 以及相关的驱动电路的设计直接与控制器的可靠性紧密相关,尤其是 在续流侧,MOSFET 的驱动电路设计不当,续流侧 MOSFET 很容易损坏,因此本文 就如何测量、分析与调整控制器的 MOSFET 驱动线路来提高 MOSFET 的可靠性作一 些研究,以便能够为设计人员在设计产品时作一些参考。 1 MOSFET 开关过程及 MOSFET 参数模型 1.1 MOSFET 开通过程 MOSFET 开通过程中的波形见图 1 所示,其开通的过程可分为四个阶段: 阶段 A、t0¬—t1:门极电压 Vgs 由 0V 逐渐上升至 Vth,在此期间内 MOSFET 关闭, Vds 不变,Id=0A。 阶段 B、t1—t2:门极电压 Vgs 由 Vth 上升至平台电压 Vp,门极电压为 Cgs 充电。 在此期间内 MOSFET 开始导通并进入饱和状态,Vds 基本保持不变,Id 由 0 上升 至 Id(max)。 阶段 C、t2—t3:门极电压 Vgs 保持不变,门极电压为 Cgd 充电。在此期间内 MOSFET 仍处于饱和状态,Vds 迅速下降,Id 保持不变。 阶段 D、t3—t4:门极电压 Vgs 由 Vp 继续上升,在此期间内 MOSFET 退出饱和状 态进入完全导通状态。 MOSFET 关断时波形与开通时相反,在此不再叙述。 1.2 MOSFET 寄生参数 MOSFET 寄生参数模型如图 2 所示。由于 MOSFET 的结构、引线和封装的影响,在 MOSFET 制作完成后,其各引脚间存在 PN 结寄生电容和寄生电感,引脚上存在引 线电感。由于源极的引线较长,Ls 一般要比 Ld 大。 因此,我们在实际的开关应用中应特别注意寄生电容和引线电感对开关波形的影 响,特别是在负载为电感性负载时更应注意。MOSFET 的输入电容、反向传输电 容和输出电容分别表示如下: Ciss=Cgs+Cgd Crss=Cgd Coss=Cgd+Cds 2 两种常见的 MOSFET 驱动电路 2.1 由分立器件组成的驱动电路 由分立器件组成的驱动电路((如图 3 所示),驱动电路工作原理如下: A.当 HS 为高电平时,Q7、Q4 导通,Q6 关闭,电容 C4 上的电压(约 14V)经过 Q4、D3、R6 加到 Q5 的栅极,使 Q5 导通。在导通期间,Q5 的源极电压(Phase) 接近电源电压 Vdc,所以电容两端的电压随着 Phase 电压一起浮动,电容 C4 亦 称为自举电容。Q5 靠 C4 两端的电压来维持导通。 B. 当 HS 为低电平时,Q7、Q4 关闭,Q6 导通,为 Q5 的栅极提供放电回路,从而 使 Q5 很快关闭。当 Q5 关闭后,由于下管的开通或负载的作用,使得 Phase 电压 下降接近 0V,从而使 C4 经过+15V→D2→C4→GND 回路充电,为下一次导通做好 准备。 C. 当 LS 为低电平时,Q8、Q11 导通,Q10 关闭,驱动电路通过 R11 为下管 Q9 的栅极充电,使 Q9 导通。 D. 当 LS 为高电平时,Q8、Q11 关闭,Q10 导通,为 Q9 的栅极提供放电回路,使 Q9 关断。 E. 当 HS 和 LS 同时为高电平时,上管开通下管关闭。当 HS 和 LS 同时为低电平 时,上管关闭下管开通。在实际应用中,为了避免上下管同时开通,HS 和 LS 的 逻辑要靠 MCU 或逻辑电路来保证。 2.2 半桥驱动芯片组成的驱动电路 半桥驱动芯片组成的驱动电路如图 4 所示,工作原理如下: A.当 HS 和 LS 同时为高电平时,HO 有驱动电压输出,使 Q1 开通。当 HS 和 LS 同时为低电平时,LO 有驱动电压输出,使 Q2 开通。 B.电容 C2 与分立器件驱动电路里的 C4 作用相同,同样为自举电容。 C.电容 C1 为去藕电容,为抑制功率 MOSFET 开关时对驱动电路浮动电源部分的 干扰,一般应加上此电容。 2.3 两种驱动线路的区别 A.两种驱动电路在开通时能提供基本相同的驱动电流驱动 MOSFET 开通,但在 MOSFET 关断时,分立器件驱动电路因为有三极管放电,所以能提供更大的放电 电流关闭 MOSFET,而半桥驱动电路由于要经过栅极电阻放电,所以放电电流相 对较小,导致 MOSFET 关闭时间过长,开关损耗相应增加。解决的办法可以是在 驱动电阻上反并联一只二极管并增加一个放电的 PNP 三极管。 B.分立器件驱动电路用的器件较多,可靠性相对没有半桥芯片的驱动电路高。 但前提条件是半桥驱动芯片的驱动电路要设计合理。 3 MOSFET 驱动线路的要求及参数的调整 门极电压不能超过 Vgs 的最大值。在设计驱动线路时,应考虑驱动电源电压和线 路的抗干扰性,确保 MOSFET 在带感性负载且工作在开关状态时栅极电压不超过 Vgs 的最大值。 为了能够减少 MOSFET 的开关损耗,驱动线路应能提供足够大的驱动电流,使开 通和关断的时间尽可能短,同时,尽量减少门极电压的高频震荡。如果要获得同 样的 RC 时间常数,使用较小的驱动电阻和较大的电容可以获得较好的驱动特性, 但驱动线路的损耗同时也增加了。 图 5 和图 6 是实际应用中的测试波形,从图中我们可以看出:①电容的增加使得 开启的时间变长,增加了开通损耗。②电容的增加,使得门极电压的高频震荡减 少。同时,由于米勒平台的振荡减小,MOSFET 在米勒平台期间的损耗也会相应 减小。 延长 MOSFET 的开通时间可以减小开通时的涌入电流。由于电机负载为感性负载, 所以在 PWM 关断时存在续流现象(见图 7 中的 I2),为了减小续流侧反向恢复 电流(Irr)的大小,PWM 侧开关管的开通速度不宜过快。由于 MOSFET 处于饱和 区时有公式:Id=K*(Vgs-Vth)2,(K 为一常数,由 MOSFET 的特性决定)。所以 在一定的温度和 Vds 条件下,从 MOSFET 的门极驱动电压 Vgs 可以判断 MOSFET 中的电流大小。图 5 中 Vgs 峰值为 9.1V,图 6 中 Vgs 峰值为 6.4V,所以增加电 容使得峰值电流减小。Id 也可从 MOSFET 的转移特性图中获得。 由于 MOSFET 的封装电感和线路的杂散电感的存在,在 MOSFET 反向恢复电流 Irr 突然关断时,MOSFET(Q3)上的电压 Vds 会出现振铃(如图 8 中 CH2 所示)。此 振铃的出现会导致 Vds 超过 MOSFET 的击穿电压从而发生雪崩现象。如果线路中 出现振铃,我们可以通过以下方法来减小振铃: A.设计线路时应考虑线路板布线:①尽量缩短驱动线路与 MOSFET 之间的线迹长 度;②使大电流回路的铜箔走线尽量短且宽,必要时可以在铜箔表面加锡;③合 理的走线,使大电流环路的面积最小。 B.如果线路杂散电感已经确定,可以通过减小 PWM 侧的 MOSFET 开通速度来减小 在续流侧的 MOSFET 上的 Vds 振铃,从而能够使 MOSFET 上的 Vds 不超过最大耐压 值。 C.如果以上两种方法都不能很好地解决问题,我们可以通过在相线上加 snubber 的方法来抑制线路的振铃。 注意 Cdv/dt 产生的栅极感应电压。如图 7 所示:在控制 MOSFET Q1 的导通开关 期间,因为 Q1 的米勒效应和导通延迟的缘故,满输入电压并不会立刻出现在 Q3 的漏极上。施加在 Q3 上的漏极电压会感应出一个通过其栅-漏极间米勒电容 Cgd (见图 2)进行耦合的电流。该感应电流在 Q3 的内部栅极电阻 Rg 和外部栅极电 阻的两端产生一个压降。该电压将对 Q3 栅极上的栅-源极间电容 Cgs 进行充电。 Q3 上的感应栅极电压的幅度是 dv/dt、Cgd、Cgs 和总栅极电阻的一个函数。 感应栅极电压如图 8 中的 CH1 所示,其值已达到 2.3V。另外,由于源极引线电 感的存在,在 Q3 内的电流迅速减小时,会在 Ls 的两端感应出一个极性为上负下 正的电压,如图 9 所示,此时加在 DIE 上的电压 Vgs(die)要大于在外部引脚 上测量的 Vgs 电压,所以由于 Ls 的影响,使得 MOSFET 有提前导通的可能。如果 下管由于感应电压而导通,则会造成上下管穿通,如果 MOSFET 不能承受此穿通 电流,MOSFET 就会损坏。 防止产生 Cdv/dt 感应导通的方法: A.选择具有较高门限电压的 MOSFET。 B.选择具有较小米勒电容 Cgd 和较小 Cgd/Cgs 的 MOSFET。 C.使上桥(Q1)的开启速度变慢,从而减小关断时的 dv/dt 和 di/dt,使感应 电压 Cdv/dt 和 Lsdi/dt 减小。 D.增加 Q3 的栅极电容 Cgs,从而减小感应电压。 保留 Cdv/dt 感应导通的好处 Cdv/dt 感应导通有一个好处:它能够减小续流侧 MOSFET 上的电压尖峰和 Vds 振 铃(V = L×dIrr/dt; L:环路寄生电感), 同时也减小了系统的 EMI 干扰。因 此,在设计 MOSFET 驱动线路时,我们应根据实际情况来权衡驱动参数的调整, 即究竟是阻止 Cdv/dt 感应导通以求最大限度地提升电路效率和可靠性还是采用 Cdv/dt 感应导通来抑制过多的寄生振铃。 4 结论 4.1 在开始设计之前,应该全面了解所选 MOSFET 的参数,判断 MOSFET 是否能满 足产品要求,包括 MOSFET 的耐压(Vgs 和 Vds)、最大电流等参数,确保当工作 条件最恶劣时这些参数不要超过 MOSFET 的最大额定值。 4.2 在线路设计阶段,必须进行热设计,以确保 MOSFET 工作在安全工作区。应 特别注意线路板的布线,尽量减小线路杂散电感。 4.3 在不影响可靠性的情况下尽量缩短开关时间,将开关损耗降到最低。有时为 了进一步提高效率,降低温升,还可采用同步整流。

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