MOSFET作為功率開關(guān)管,，已經(jīng)是是開關(guān)電源領(lǐng)域的絕對主力器件,。雖然MOSFET作為電壓型驅(qū)動器件,，其驅(qū)動表面上看來是非常簡單,，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(qū)動技術(shù),，以及在不同的應(yīng)用，應(yīng)該采用什么樣的驅(qū)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(dǎo)通甚至擊穿,。這是為什么呢？因為我根本沒有加驅(qū)動電壓,，MOS怎么會導(dǎo)通,？用下面的圖，來做個仿真：
去探測G極的電壓,，發(fā)現(xiàn)電壓波形如下：
G極的電壓居然有4V多,，難怪MOSFET會導(dǎo)通，這是因為MOSFET的寄生參數(shù)在搗鬼,。
這種情況有什么危害呢,？實際情況下,，MOS肯定有驅(qū)動電路的么，要么導(dǎo)通,，要么關(guān)掉,。問題就出在開機，或者關(guān)機的時候,，最主要是開機的時候,，此時你的驅(qū)動電路還沒上電。但是輸入上電了,，由于驅(qū)動電路沒有工作,，G級的電荷無法被釋放，就容易導(dǎo)致MOS導(dǎo)通擊穿,。那么怎么解決呢,？
在GS之間并一個電阻.
那么仿真的結(jié)果呢：
幾乎為0V.
什么叫驅(qū)動能力，很多PWM芯片,，或者專門的驅(qū)動芯片都會說驅(qū)動能力,，比如384X的驅(qū)動能力為1A，其含義是什么呢,？
MOSFET作為功率開關(guān)管,，已經(jīng)是是開關(guān)電源領(lǐng)域的絕對主力器件。雖然MOSFET作為電壓型驅(qū)動器件,，其驅(qū)動表面上看來是非常簡單,，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(qū)動技術(shù),，以及在不同的應(yīng)用，應(yīng)該采用什么樣的驅(qū)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(dǎo)通甚至擊穿,。這是為什么呢？因為我根本沒有加驅(qū)動電壓,，MOS怎么會導(dǎo)通,？用下面的圖,，來做個仿真：
去探測G極的電壓,，發(fā)現(xiàn)電壓波形如下：
G極的電壓居然有4V多,，難怪MOSFET會導(dǎo)通，這是因為MOSFET的寄生參數(shù)在搗鬼,。
這種情況有什么危害呢,？實際情況下，MOS肯定有驅(qū)動電路的么,，要么導(dǎo)通,，要么關(guān)掉。問題就出在開機,，或者關(guān)機的時候,，最主要是開機的時候，此時你的驅(qū)動電路還沒上電,。但是輸入上電了,，由于驅(qū)動電路沒有工作，G級的電荷無法被釋放,，就容易導(dǎo)致MOS導(dǎo)通擊穿,。那么怎么解決呢？
在GS之間并一個電阻.
那么仿真的結(jié)果呢：
幾乎為0V.
什么叫驅(qū)動能力,，很多PWM芯片,，或者專門的驅(qū)動芯片都會說驅(qū)動能力，比如384X的驅(qū)動能力為1A,，其含義是什么呢,？
假如驅(qū)動是個理想脈沖源，那么其驅(qū)動能力就是無窮大,，想提供多大電流就給多大,。但實際中，驅(qū)動是有內(nèi)阻的,，假設(shè)其內(nèi)阻為10歐姆,，在10V電壓下，最多能提供的峰值電流就是1A,，通常也認為其驅(qū)動能力為1A,。
那什么叫驅(qū)動電阻呢，通常驅(qū)動器和MOS的G極之間,，會串一個電阻,，就如下圖的R3。
驅(qū)動電阻的作用,，如果你的驅(qū)動走線很長,，驅(qū)動電阻可以對走線電感和MOS結(jié)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(diào)解驅(qū)動器的驅(qū)動能力,，調(diào)節(jié)開關(guān)速度,。當然只能降低驅(qū)動能力，而不能提高,。
對上圖進行仿真,，R3分別取1歐姆，和100歐姆,。下圖是MOS的G極的電壓波形上升沿,。
紅色波形為R3=1歐姆，綠色為R3=100歐姆,?？梢钥吹剑擱3比較大時,，驅(qū)動就有點力不從心了,，特別在處理米勒效應(yīng)的時候，驅(qū)動電壓上升很緩慢,。
下圖,，是驅(qū)動的下降沿
同樣標稱7A的mos，不同的廠家,，不同的器件,，參數(shù)是不一樣的。所以沒有什么公式可以去計算,。
那么驅(qū)動的快慢對MOS的開關(guān)有什么影響呢,？下圖是MOS導(dǎo)通時候DS的電壓：
紅色的是R3=1歐姆，綠色的是R3=100歐姆,?？梢奟3越大，MOS的導(dǎo)通速度越慢,。
下圖是電流波形
紅色的是R3=1歐姆,，綠色的是R3=100歐姆?？梢奟3越大,，MOS的導(dǎo)通速度越慢。
可以看到,，驅(qū)動電阻增加可以降低MOS開關(guān)的時候得電壓電流的變化率,。比較慢的開關(guān)速度，對EMI有好處。下圖是對兩個不同驅(qū)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?qū)動電阻大的時候,，高頻諧波明顯變小,。
但是驅(qū)動速度慢，又有什么壞處呢,？那就是開關(guān)損耗大了,，下圖是不同驅(qū)動電阻下，導(dǎo)通損耗的功率曲線,。
紅色的是R3=1歐姆,，綠色的是R3=100歐姆?？梢?，驅(qū)動電阻大的時候，損耗明顯大了,。
結(jié)論：驅(qū)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(guān)斷的速度要分別調(diào)節(jié),，怎么辦,？就用以下電路。
MOSFET的自舉驅(qū)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(dǎo)通。那么對于對S極和控制IC的地等電位的MOS來說,，驅(qū)動根本沒有問題,，如上圖。
但是對于一些拓撲,，比如BUCK（開關(guān)管放在上端）,，雙管正激，雙管反激，半橋,，全橋這些拓撲的上管,，就沒辦法直接用芯片去驅(qū)動，那么可以采用自舉驅(qū)動電路,。
看下圖的BUCK電路：
加入輸入12V,，MOS的導(dǎo)通閥值為3V，那么對于Q1來說,，當Q1導(dǎo)通之后,，如果要維持導(dǎo)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(qū)動的供電在于 Cboot,。
看下圖，芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：
Cboot是掛在boot和LX之間的,，而LX卻是下管的D級,，當下管導(dǎo)通的時候，LX接地,，芯片的內(nèi)部基準通過Dboot（自舉二極管）對Cboot充電,。當下管關(guān)，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(qū)動電壓才能高過輸入電壓,。
當然芯片內(nèi)部的邏輯信號在提供給驅(qū)動的時候,，還需要Level shift電路，把信號的電平電壓也提上去,。
Buck電路,，現(xiàn)在有太多的控制芯片集成了自舉驅(qū)動，讓整個設(shè)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(qū)動,。那樣就可以外加自舉驅(qū)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,。
下圖是ISL21XX的內(nèi)部框圖。
其核心的東西,，就是紅圈里的boot二極管,，和Level shift電路。
ISL21XX驅(qū)動橋式電路示意圖：
驅(qū)動雙管電路：
驅(qū)動有源鉗位示意圖：
當然以上都是示意圖,，沒有完整的外圍電路,，但是外圍其實很簡單，參考datasheet即可,。
ISL21XX驅(qū)動橋式電路示意圖：
驅(qū)動雙管電路：
驅(qū)動有源鉗位示意圖：
當然以上都是示意圖,，沒有完整的外圍電路,，但是外圍其實很簡單,，參考datasheet即可。
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(jié)電容充電，如果驅(qū)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(qū)動電壓。但是也不用太大,，太大的電容會導(dǎo)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,。
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,。
隔離驅(qū)動。當控制和MOS處于電氣隔離狀態(tài)下,，自舉驅(qū)動就無法勝任了,，那么就需要隔離驅(qū)動了。下面來討論隔離驅(qū)動中最常用的,，變壓器隔離驅(qū)動,。
看個最簡單的隔離驅(qū)動電路，被驅(qū)動的對象是Q1,。
其實MOS只是作為開關(guān)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,。還有堵轉(zhuǎn)時候的的啟動電流,。
驅(qū)動源參數(shù)為12V ，100KHz,， D=0.5,。
驅(qū)動變壓器電感量為200uH，匝比為1：1,。
紅色波形為驅(qū)動源V1的輸出,，綠色為Q1的G級波形?？梢钥吹?，Q1-G的波形為具有正負電壓的方波，幅值6V了,。
為什么驅(qū)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,。
下圖為C1上的電壓。
其平均電壓為6V,，但是峰峰值,，卻有2V，顯然C1不夠大,，導(dǎo)致驅(qū)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：
驅(qū)動電壓變得平緩了些,。如果把驅(qū)動變壓器的電感量增加到500uH,。驅(qū)動信號就如下圖：
驅(qū)動信號顯得更為平緩,。
從這里可以看到，這種驅(qū)動,，有個明顯的特點,，就是驅(qū)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(yīng)該是D*V,，D為占空比,，那么如果D很大的話，驅(qū)動電壓就會變得很小,，如下圖,，D=0.9
發(fā)現(xiàn)驅(qū)動到達MOS的時候，正壓不到2V了,。顯然這種驅(qū)動不適合占空比大的情況,。
從上面可以看到，在驅(qū)動工作的時候,，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(qū)動突然掉電的情況：
可見,，在驅(qū)動突然關(guān)掉之后，C1上的能量,，會引起驅(qū)動變的電感,，C1以及mos的結(jié)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,，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,，下圖是并了1K電阻之后波形：
但是這個電阻會給驅(qū)動帶來額外的損耗。
如何傳遞大占空比的驅(qū)動：
看一個簡單的驅(qū)動電路,。
當D=0.9的時候
紅色波形為驅(qū)動源輸出,，綠色為到達MOS的波形?；颈３至蓑?qū)動源的波形,。
同樣,，這個電路在驅(qū)動掉電的時候，比如關(guān)機,，也會出現(xiàn)震蕩,。
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
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,。
綠色的波形,，確實更改善了一些，但是問題還是存在,。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(guān)機,。soft stop其實就是soft start的反過程,，就是在關(guān)機的時候，讓驅(qū)動占空比從大往小變化,，直到關(guān)機,。很多IC已經(jīng)集成了該功能。
可看到,，驅(qū)動信號在關(guān)機的時候,，沒有了上面的那些震蕩。
對于半橋,，全橋的驅(qū)動,，由于具有兩相驅(qū)動，而且相位差為180度,，那么如何用隔離變壓器來驅(qū)動呢,？
采用一拖二的方式，可以來驅(qū)動兩個管子,。
下圖,，是兩個驅(qū)動源的波形：
通過變壓器傳遞之后，到達MOS會變成如下：
在有源鉗位,，不對稱半橋,，以及同步整流等場合，需要一對互補的驅(qū)動,，那么怎么用一路驅(qū)動來產(chǎn)生互補驅(qū)動,，并且形成死區(qū)?？捎孟聢D,。
波形如下圖：
