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    开关电源设计中MOSFET驱动技术详解

    钜大LARGE  |  点击量：937次  |  2020年05月19日  

    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，其驱动表面上看来是非常简单，但是详细分析起来并不简单。本文会来解析MOSFET的驱动技术。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？很多工程师都了解，MOS会导通甚至击穿。这是为何呢？因为根本没有加驱动电压，MOS怎么会导通？用下面的图，来做个仿真：


    去探测G极的电压，发现电压波形如下：


    G极的电压居然有4V多，难怪MOSFET会导通，这是因为MOSFET的寄生参数在捣鬼。


    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，最重要是开机的时候，此时驱动电路还没上电。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


    那么仿真的结果呢:


    几乎为0V。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，比如384X的驱动能力为1A，其含义是什么呢？


    假如驱动是个理想脉冲源，那么其驱动能力就是无穷大，想供应多大电流就给多大。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，最多能供应的峰值电流就是1A，通常也认为其驱动能力为1A。


    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，就如下图的R3。


    驱动电阻的用途，假如驱动走线很长，驱动电阻可以对走线电感和MOS结电容引起的震荡起阻尼用途。但是通常，现在的pCB走线都很紧凑，走线电感非常小。


    第二个，重要用途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。


    对上图进行仿真，R3分别取1欧姆，和100欧姆。下图是MOS的G极的电压波形上升沿。


    红色波形为R3=1欧姆，绿色为R3=100欧姆。可以看到，当R3比较大时，驱动就有点力不从心了，特别在处理米勒效应的时候，驱动电压上升很缓慢。


    下图，是驱动的下降沿


    那么驱动的快慢对MOS的开关有什么影响呢？下图是MOS导通时候DS的电压：


    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。


    下图是电流波形


    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，驱动电阻新增可以降低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。下图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


    但是驱动速度慢，又有什么坏处呢？那就是开关损耗大了，下图是不同驱动电阻下，导通损耗的功率曲线。


    红色的是R3=1欧姆，绿色的是R3=100欧姆。可见，驱动电阻大的时候，损耗明显大了。


    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。


    那假如，开通和关断的速度要分别调节，怎么办？就用以下电路。


    上一篇：工程师：开关电源PCB电磁兼容(EMC)性建模分析

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