一文詳解MOS管驅(qū)動電路拓撲的設計
2023/10/17 13:52:10??????點擊：
1、MOS管簡介
功率MOSFET是電壓型驅(qū)動器件，輸入阻抗高，因而開關速度可以很高。功率MOS管的柵極有等效的輸入電容CISS。由于CISS的存在，靜態(tài)時柵極驅(qū)動電流幾乎為零，但在開通和關斷動態(tài)過程中，仍需要一定的驅(qū)動電流，MOS管的開關速度與驅(qū)動源內(nèi)阻抗有關，開關速度不同影響其實際損耗。
比較常用的MOS管是N型FET管， MOS的特性是Vgs大于一定的值就會導通，柵極電壓一般為4V左右，可用查看功率管的規(guī)格書。
MOS管的三個管腳之間有寄生電容存在，這不是我們需要的，而是由于制造工藝限制產(chǎn)生的。MOS管導通后都有導通電阻存在，這樣電流就會在這個電阻上消耗能量，這部分消耗的能量叫做導通損耗。MOS在導通和截止的時候，一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個下降的過程，流過的電流有一個上升的過程，在這段時間內(nèi)，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開關損失。通常開關損失比導通損失大得多，而且開關頻率越快，損失也越大。導通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損失也就很大?？s短開關時間，可以減小每次導通時的損失；降低開關頻率，可以減少單位時間內(nèi)的開關次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關損失。其中縮短開關時間和驅(qū)動電路關系密切。
MOS管在GS，GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅(qū)動，實際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個電流，因為對電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會比較大。
在不同的MOS管應用場合，需要驅(qū)動電路特性也不一樣。不同的場合需求與之相應的驅(qū)動特性。而驅(qū)動電路的拓撲形式往往決定著驅(qū)動電路的驅(qū)動特性。一般可以把驅(qū)動電路的拓撲區(qū)分為直接耦合驅(qū)動和隔離驅(qū)動兩種形式。
2、直接耦合驅(qū)動
直接耦合驅(qū)動是控制電路或驅(qū)動信號直接和MOS管進行電氣連接，具有電氣共共點?？刂齐娐分型褂眉尚酒刂芃OS管。輸出驅(qū)動能力較強的集成芯片輸出級一般是圖騰柱輸出電路，驅(qū)動開關速度比較快?？梢栽?0K-80KHZ，一般選擇在40K左右運行。有些集成芯片例如UC3844還能夠?qū)崿F(xiàn)一定的環(huán)路控制，對于例如CD4001等輸出驅(qū)動能力有限的集成芯片，其輸出會增加一個圖騰柱電路以增強對后級電路的驅(qū)動能力。
集成芯片直接耦合驅(qū)動主要應用于低壓、非橋式變換電路中，驅(qū)動的MOS管往往是單片獨立工作。它的工作特點是簡單、可靠、成本低，所以這種集成芯片直接耦合驅(qū)動電路大量用于輔助電源和充電器等小功率電路中。
圖1
圖2
圖3
在直接耦合驅(qū)動中以圖1的形式更具代表性，集成芯片UC3844輸出級就是圖騰柱電路，所以用它來直接驅(qū)動MOS管是有環(huán)路控制功能電路的首選。也正因為這種驅(qū)動拓撲應用廣泛，業(yè)界已經(jīng)把環(huán)路控制集成芯片和MOS管集成到一起并形成一種叫TOP SWITCH的通用電路形式。
圖2 相對于圖1增加了VD1和VD2，VD1是加速關斷二極管，其作用是MOS管關斷時加速柵極電荷的瀉放，目的是減少MOS管關斷時間從而減少開關損耗。VD1比較常用的型號是1N4148、1N5819。VD2是柵源間的電壓嵌位穩(wěn)壓管，由于MOS管的柵源之間電壓超過20V就有使功率管損壞的風險，所以一般使用例如1N4746的穩(wěn)壓管進行嵌壓保護，有時還會增加一個反并聯(lián)的穩(wěn)壓管來保護反方向的電壓沖擊。但是在驅(qū)動電源比較穩(wěn)定時，柵源電壓波動不會超過20V的情況下，此穩(wěn)壓管也可不加。R2電阻一定是要加的，他的作用是當MOS管和驅(qū)動電路斷開后，柵源極能夠保持有效低電平。防止漏源極增加電壓后使柵源級感應出電壓并導通后致使功率管損壞。
MOS管的輸入電容Ciss可取值5000pF，電阻在3K到50K的電阻值都可以選擇，其時間常數(shù)為若干uS。
圖3相比圖1和圖2，增加了VT2和VT3組成的圖騰柱電路，圖騰柱電路就是推挽輸出電路。圖騰柱就是上下各一個三極管，上管為NPN，c極(集電極)接正電源，下管為PNP，c極(集電極)接地。兩個b極(基極)接一起，接輸入，上管和下管的e極(發(fā)射極)接到一起，接輸出，像一個“圖騰柱”。用同一信號驅(qū)動兩個b極。驅(qū)動信號為高時，NPN導通；信號為低時，PNP導通。利用兩個晶體管構成推挽輸出以增強驅(qū)動能力。
3、隔離驅(qū)動
在電路電氣的隔離設計中通常使用的電氣隔離手段是磁隔離和光隔離。磁隔離需要設計合適的變壓器，光隔離需要選擇合適的光耦器件。MOS管的隔離驅(qū)動是應用在大功率的多管橋式變換電路中，當功率電路要求和控制電路必須隔離時也必須采用隔離驅(qū)動的設計。
圖4
圖4是一個采用正激隔離變壓器實現(xiàn)電氣隔離的驅(qū)動電路?？刂菩酒捎昧薝C3844，其輸出為高電平時，輸出電流經(jīng)過R4、C1給變壓器初級線圈勵磁。次級線圈為高電平輸出，通過驅(qū)動電阻R1來驅(qū)動MOS管導通。
當UC3844為低電平輸出時，變壓器磁場不能馬上突變，即通過VD2、R4、C1回路來進行磁復位，此時次級繞組為反向電壓輸出，對柵極電荷進行迅速抽離，隨著變壓器磁復位結束柵源電壓變?yōu)?V，3844的輸出占空比最大為50%也能保證足夠磁復位時間。C2的作用是，使交流成份不流入線圈；吸收電感兩端的尖峰電壓。增加R3是為了防止次級線圈和C2產(chǎn)生自激振蕩，這和驅(qū)動電阻R1的作用是類似的。在驅(qū)動電平處理比較好的驅(qū)動電路中，R3、C2是可以去掉的，這時需要調(diào)節(jié)R1使驅(qū)動波形不至于產(chǎn)生共振干擾，同時還要滿足一定的驅(qū)動效果，比如合適功率管應力指標以及合適的功率管發(fā)熱。
采用隔離變壓器驅(qū)動電路主要應用于單管需要隔離的小功率電路，也會應用到雙功率管電路中，一般場景是驅(qū)動時序要求一樣并且功率管之間需要隔離。為了保證磁復位占空比不能超過50%。采用隔離變壓器需要避免次級繞組電感和輸出端寄生電容形成諧振，驅(qū)動波形需要適當?shù)臑V波和限幅保護。當驅(qū)動脈寬較窄時，由于是儲存的能量減少，在關斷續(xù)流時輸出感應負電壓較低，導致MOS管柵極的關斷速度變慢。
在大功率電路橋式多管使用場景里，采用上面隔離驅(qū)動變壓器的驅(qū)動方案顯然不大合適。但橋式多管電壓變換中驅(qū)動也是需要隔離的。除了直接使用MOS管驅(qū)動變壓器實現(xiàn)隔離之外，還可以使用隔離驅(qū)動電源加隔離驅(qū)動信號來實現(xiàn)。這種隔離驅(qū)動除了要求有獨立的驅(qū)動電源，還要求驅(qū)動脈沖的隔離。
如下圖5是隔離電源電路而圖6利用光耦進行驅(qū)動脈沖的隔離。圖5的隔離電源是通過脈沖發(fā)生芯片CD4093產(chǎn)生固定占空比的驅(qū)動脈沖，輸出給圖騰柱電路后直接給正激變壓器，正激變壓器輸出在整流后通過電容的濾波以及穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓形成穩(wěn)定的驅(qū)動電壓。隔離電源可以設計成雙電源也可以設計成單電源。雙電源就是可以實現(xiàn)正、負兩個極性的驅(qū)動輸出。對于MOS管來說負電源意味著有效快速的進行功率管關斷，并且可以避免驅(qū)動干擾所引起的誤開通，所以對于大功率橋式電路中大多采取雙電源。單電源就是關閉的時候驅(qū)動輸出是0V低電平，對于非橋式、功率小以及驅(qū)動干擾不大的場合也可選擇單電源工作。直接耦合驅(qū)動拓撲一般采用單電源驅(qū)動形式。
圖5
圖6光耦的左側(cè)是控制電路，驅(qū)動信號來自控制芯片。右側(cè)使用隔離的雙電源，同時增加一級圖騰柱電路來驅(qū)動MOS功率管。MOS管的源極是隔離電源的“地”，而柵極地驅(qū)動波形將是相對于“地”的正或負脈沖。VD2是一個電壓嵌位二極管用于保護MOS管柵源之間的電壓過沖。VD1是加速關斷二極管。
圖6
4、關斷加速電路
為了減少MOS管關斷時間從而減少開關損耗，驅(qū)動電路會要求關斷時快速抽取柵極電荷，此時驅(qū)動回路需要一個低阻抗回路。如圖2中的VD1是快速關斷二極管，在關斷時它直接短路掉和它并聯(lián)的驅(qū)動電阻，使得驅(qū)動回路的阻抗降低從而快速將柵極電荷抽走。在驅(qū)動電阻上并聯(lián)一個二極管就是一種關斷加速電路，有時候二極管可以串聯(lián)一個合適的電阻，最終達到MOS管開通和關斷不同的工作狀態(tài)從而滿足設計要求，如下圖7中VD1、R3所示。
圖7
圖7中雖然通過增加二極管減少驅(qū)動電路的阻抗，但二極管、三極管導通壓降以及導通電阻還是存在的，回路阻抗減小有一定的限度。如下圖8中VT4管的存在是增加了MOS管柵極到低電平的回路，VT4可以選擇三極管，但三極管的導通需要基極偏置，三極管不能工作完全飽和狀態(tài)，抽取電荷的能力也是有限的?？梢赃x擇小容量MOS管來代替三極管，但這個MOS管需要一個電平的轉(zhuǎn)換以使和實際驅(qū)動信號的相位相反。由于MOS管是電壓驅(qū)動，并能夠運行在飽和導通狀態(tài)，把功率MOS管的電荷迅速抽走，如下圖9所示。
圖8
圖9
關斷加速還有一個更簡單有效的方法就是使用足夠低的負電源關閉，所以解決措施要根據(jù)實際需要和效果來定，可以是一個方案也可以是多個方案，更可以進行適當?shù)碾娐纷兎N?？傮w來說就是減小回路阻抗，增大抽取電流兩個方面。
5、總結
本文通過圖例介紹了MOS管驅(qū)動拓撲的類別，對于不同的使用場景MOS管所需的的工作特定要求也是不同的。在實際選用時可以在這些介紹的電路基礎上進行演化，以適應指定MOS管使用要求。
功率MOSFET是電壓型驅(qū)動器件，輸入阻抗高，因而開關速度可以很高。功率MOS管的柵極有等效的輸入電容CISS。由于CISS的存在，靜態(tài)時柵極驅(qū)動電流幾乎為零，但在開通和關斷動態(tài)過程中，仍需要一定的驅(qū)動電流，MOS管的開關速度與驅(qū)動源內(nèi)阻抗有關，開關速度不同影響其實際損耗。
比較常用的MOS管是N型FET管， MOS的特性是Vgs大于一定的值就會導通，柵極電壓一般為4V左右，可用查看功率管的規(guī)格書。
MOS管的三個管腳之間有寄生電容存在，這不是我們需要的，而是由于制造工藝限制產(chǎn)生的。MOS管導通后都有導通電阻存在，這樣電流就會在這個電阻上消耗能量，這部分消耗的能量叫做導通損耗。MOS在導通和截止的時候，一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個下降的過程，流過的電流有一個上升的過程，在這段時間內(nèi)，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開關損失。通常開關損失比導通損失大得多，而且開關頻率越快，損失也越大。導通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損失也就很大?？s短開關時間，可以減小每次導通時的損失；降低開關頻率，可以減少單位時間內(nèi)的開關次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關損失。其中縮短開關時間和驅(qū)動電路關系密切。
MOS管在GS，GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅(qū)動，實際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個電流，因為對電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會比較大。
在不同的MOS管應用場合，需要驅(qū)動電路特性也不一樣。不同的場合需求與之相應的驅(qū)動特性。而驅(qū)動電路的拓撲形式往往決定著驅(qū)動電路的驅(qū)動特性。一般可以把驅(qū)動電路的拓撲區(qū)分為直接耦合驅(qū)動和隔離驅(qū)動兩種形式。
2、直接耦合驅(qū)動
直接耦合驅(qū)動是控制電路或驅(qū)動信號直接和MOS管進行電氣連接，具有電氣共共點?？刂齐娐分型褂眉尚酒刂芃OS管。輸出驅(qū)動能力較強的集成芯片輸出級一般是圖騰柱輸出電路，驅(qū)動開關速度比較快?？梢栽?0K-80KHZ，一般選擇在40K左右運行。有些集成芯片例如UC3844還能夠?qū)崿F(xiàn)一定的環(huán)路控制，對于例如CD4001等輸出驅(qū)動能力有限的集成芯片，其輸出會增加一個圖騰柱電路以增強對后級電路的驅(qū)動能力。
集成芯片直接耦合驅(qū)動主要應用于低壓、非橋式變換電路中，驅(qū)動的MOS管往往是單片獨立工作。它的工作特點是簡單、可靠、成本低，所以這種集成芯片直接耦合驅(qū)動電路大量用于輔助電源和充電器等小功率電路中。
圖1
圖2
圖3
在直接耦合驅(qū)動中以圖1的形式更具代表性，集成芯片UC3844輸出級就是圖騰柱電路，所以用它來直接驅(qū)動MOS管是有環(huán)路控制功能電路的首選。也正因為這種驅(qū)動拓撲應用廣泛，業(yè)界已經(jīng)把環(huán)路控制集成芯片和MOS管集成到一起并形成一種叫TOP SWITCH的通用電路形式。
圖2 相對于圖1增加了VD1和VD2，VD1是加速關斷二極管，其作用是MOS管關斷時加速柵極電荷的瀉放，目的是減少MOS管關斷時間從而減少開關損耗。VD1比較常用的型號是1N4148、1N5819。VD2是柵源間的電壓嵌位穩(wěn)壓管，由于MOS管的柵源之間電壓超過20V就有使功率管損壞的風險，所以一般使用例如1N4746的穩(wěn)壓管進行嵌壓保護，有時還會增加一個反并聯(lián)的穩(wěn)壓管來保護反方向的電壓沖擊。但是在驅(qū)動電源比較穩(wěn)定時，柵源電壓波動不會超過20V的情況下，此穩(wěn)壓管也可不加。R2電阻一定是要加的，他的作用是當MOS管和驅(qū)動電路斷開后，柵源極能夠保持有效低電平。防止漏源極增加電壓后使柵源級感應出電壓并導通后致使功率管損壞。
MOS管的輸入電容Ciss可取值5000pF，電阻在3K到50K的電阻值都可以選擇，其時間常數(shù)為若干uS。
圖3相比圖1和圖2，增加了VT2和VT3組成的圖騰柱電路，圖騰柱電路就是推挽輸出電路。圖騰柱就是上下各一個三極管，上管為NPN，c極(集電極)接正電源，下管為PNP，c極(集電極)接地。兩個b極(基極)接一起，接輸入，上管和下管的e極(發(fā)射極)接到一起，接輸出，像一個“圖騰柱”。用同一信號驅(qū)動兩個b極。驅(qū)動信號為高時，NPN導通；信號為低時，PNP導通。利用兩個晶體管構成推挽輸出以增強驅(qū)動能力。
3、隔離驅(qū)動
在電路電氣的隔離設計中通常使用的電氣隔離手段是磁隔離和光隔離。磁隔離需要設計合適的變壓器，光隔離需要選擇合適的光耦器件。MOS管的隔離驅(qū)動是應用在大功率的多管橋式變換電路中，當功率電路要求和控制電路必須隔離時也必須采用隔離驅(qū)動的設計。
圖4
圖4是一個采用正激隔離變壓器實現(xiàn)電氣隔離的驅(qū)動電路?？刂菩酒捎昧薝C3844，其輸出為高電平時，輸出電流經(jīng)過R4、C1給變壓器初級線圈勵磁。次級線圈為高電平輸出，通過驅(qū)動電阻R1來驅(qū)動MOS管導通。
當UC3844為低電平輸出時，變壓器磁場不能馬上突變，即通過VD2、R4、C1回路來進行磁復位，此時次級繞組為反向電壓輸出，對柵極電荷進行迅速抽離，隨著變壓器磁復位結束柵源電壓變?yōu)?V，3844的輸出占空比最大為50%也能保證足夠磁復位時間。C2的作用是，使交流成份不流入線圈；吸收電感兩端的尖峰電壓。增加R3是為了防止次級線圈和C2產(chǎn)生自激振蕩，這和驅(qū)動電阻R1的作用是類似的。在驅(qū)動電平處理比較好的驅(qū)動電路中，R3、C2是可以去掉的，這時需要調(diào)節(jié)R1使驅(qū)動波形不至于產(chǎn)生共振干擾，同時還要滿足一定的驅(qū)動效果，比如合適功率管應力指標以及合適的功率管發(fā)熱。
采用隔離變壓器驅(qū)動電路主要應用于單管需要隔離的小功率電路，也會應用到雙功率管電路中，一般場景是驅(qū)動時序要求一樣并且功率管之間需要隔離。為了保證磁復位占空比不能超過50%。采用隔離變壓器需要避免次級繞組電感和輸出端寄生電容形成諧振，驅(qū)動波形需要適當?shù)臑V波和限幅保護。當驅(qū)動脈寬較窄時，由于是儲存的能量減少，在關斷續(xù)流時輸出感應負電壓較低，導致MOS管柵極的關斷速度變慢。
在大功率電路橋式多管使用場景里，采用上面隔離驅(qū)動變壓器的驅(qū)動方案顯然不大合適。但橋式多管電壓變換中驅(qū)動也是需要隔離的。除了直接使用MOS管驅(qū)動變壓器實現(xiàn)隔離之外，還可以使用隔離驅(qū)動電源加隔離驅(qū)動信號來實現(xiàn)。這種隔離驅(qū)動除了要求有獨立的驅(qū)動電源，還要求驅(qū)動脈沖的隔離。
如下圖5是隔離電源電路而圖6利用光耦進行驅(qū)動脈沖的隔離。圖5的隔離電源是通過脈沖發(fā)生芯片CD4093產(chǎn)生固定占空比的驅(qū)動脈沖，輸出給圖騰柱電路后直接給正激變壓器，正激變壓器輸出在整流后通過電容的濾波以及穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓形成穩(wěn)定的驅(qū)動電壓。隔離電源可以設計成雙電源也可以設計成單電源。雙電源就是可以實現(xiàn)正、負兩個極性的驅(qū)動輸出。對于MOS管來說負電源意味著有效快速的進行功率管關斷，并且可以避免驅(qū)動干擾所引起的誤開通，所以對于大功率橋式電路中大多采取雙電源。單電源就是關閉的時候驅(qū)動輸出是0V低電平，對于非橋式、功率小以及驅(qū)動干擾不大的場合也可選擇單電源工作。直接耦合驅(qū)動拓撲一般采用單電源驅(qū)動形式。
圖5
圖6光耦的左側(cè)是控制電路，驅(qū)動信號來自控制芯片。右側(cè)使用隔離的雙電源，同時增加一級圖騰柱電路來驅(qū)動MOS功率管。MOS管的源極是隔離電源的“地”，而柵極地驅(qū)動波形將是相對于“地”的正或負脈沖。VD2是一個電壓嵌位二極管用于保護MOS管柵源之間的電壓過沖。VD1是加速關斷二極管。
圖6
4、關斷加速電路
為了減少MOS管關斷時間從而減少開關損耗，驅(qū)動電路會要求關斷時快速抽取柵極電荷，此時驅(qū)動回路需要一個低阻抗回路。如圖2中的VD1是快速關斷二極管，在關斷時它直接短路掉和它并聯(lián)的驅(qū)動電阻，使得驅(qū)動回路的阻抗降低從而快速將柵極電荷抽走。在驅(qū)動電阻上并聯(lián)一個二極管就是一種關斷加速電路，有時候二極管可以串聯(lián)一個合適的電阻，最終達到MOS管開通和關斷不同的工作狀態(tài)從而滿足設計要求，如下圖7中VD1、R3所示。
圖7
圖7中雖然通過增加二極管減少驅(qū)動電路的阻抗，但二極管、三極管導通壓降以及導通電阻還是存在的，回路阻抗減小有一定的限度。如下圖8中VT4管的存在是增加了MOS管柵極到低電平的回路，VT4可以選擇三極管，但三極管的導通需要基極偏置，三極管不能工作完全飽和狀態(tài)，抽取電荷的能力也是有限的?？梢赃x擇小容量MOS管來代替三極管，但這個MOS管需要一個電平的轉(zhuǎn)換以使和實際驅(qū)動信號的相位相反。由于MOS管是電壓驅(qū)動，并能夠運行在飽和導通狀態(tài)，把功率MOS管的電荷迅速抽走，如下圖9所示。
圖8
圖9
關斷加速還有一個更簡單有效的方法就是使用足夠低的負電源關閉，所以解決措施要根據(jù)實際需要和效果來定，可以是一個方案也可以是多個方案，更可以進行適當?shù)碾娐纷兎N?？傮w來說就是減小回路阻抗，增大抽取電流兩個方面。
5、總結
本文通過圖例介紹了MOS管驅(qū)動拓撲的類別，對于不同的使用場景MOS管所需的的工作特定要求也是不同的。在實際選用時可以在這些介紹的電路基礎上進行演化，以適應指定MOS管使用要求。
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