?干貨|MOS管及其外圍電路設計分享-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2020-11-18
1.柵極驅動(dòng)部分
MOS管及其外圍電路設計：常用的mos管驅動(dòng)電路結構如圖1所示，驅動(dòng)信號經(jīng)過(guò)圖騰柱放大后，經(jīng)過(guò)一個(gè)驅動(dòng)電阻Rg給mos管驅動(dòng)。其中Lk是驅動(dòng)回路的感抗，一般包含mos管引腳的感抗，PCB走線(xiàn)的感抗等。
在現在很多的應用中，用于放大驅動(dòng)信號的圖騰柱本身也是封裝在專(zhuān)門(mén)的驅動(dòng)芯片中。本文要回答的問(wèn)題就是對于一個(gè)確定的功率管，如何合理地設計其對應的驅動(dòng)電路(如驅動(dòng)電阻阻值的計算，驅動(dòng)芯片的選型等等)。
注1：圖中的Rpd為mos管柵源極的下拉電阻，其作用是為了給mos管柵極積累的電荷提供泄放回路，一般取值在10k~幾十k這一數量級。由于該電阻阻值較大，對于mos管的開(kāi)關(guān)瞬態(tài)工作情況基本沒(méi)有影響，因此在后文分析mos的開(kāi)關(guān)瞬態(tài)時(shí)，均忽略Rpd的影響。
注2：Cgd，Cgs，Cds為mos管的三個(gè)寄生電容，在考慮mos管開(kāi)關(guān)瞬態(tài)時(shí)，這三個(gè)電容的影響至關(guān)重要。
驅動(dòng)電阻的下限值
驅動(dòng)電阻下限值的計算原則為：驅動(dòng)電阻必須在驅動(dòng)回路中提供足夠的阻尼，來(lái)阻尼mos開(kāi)通瞬間驅動(dòng)電流的震蕩。
當mos開(kāi)通瞬間，Vcc通過(guò)驅動(dòng)電阻給Cgs充電，如圖2所示(忽略Rpd的影響)。根據圖2，可以寫(xiě)出回路在s域內對應的方程:
式(4)給出了驅動(dòng)電阻Rg的下限值，式(4)中Cgs為mos管gs的寄生電容，其值可以在mos管對應的datasheet中查到。
而Lk是驅動(dòng)回路的感抗，一般包含mos管引腳的感抗，PCB走線(xiàn)的感抗，驅動(dòng)芯片引腳的感抗等，其精確的數值往往難以確定，但數量級一般在幾十nH左右。
因此在實(shí)際設計時(shí)，一般先根據式(4)計算出Rg下限值的一個(gè)大概范圍，然后再通過(guò)實(shí)際實(shí)驗，以驅動(dòng)電流不發(fā)生震蕩作為臨界條件，得出Rg下限值。
圖2 mos開(kāi)通時(shí)的驅動(dòng)電流
驅動(dòng)電阻的上限值
驅動(dòng)電阻上限值的計算原則為：防止mos管關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生很大的dV/dt使得mos管再次誤開(kāi)通。
當mos管關(guān)斷時(shí)，其DS之間的電壓從0上升到Vds(off)，因此有很大的dV/dt，根據公式：i=CdV/dt，該dV/dt會(huì )在Cgd上產(chǎn)生較大的電流igd，如圖3所示。
圖3 mos關(guān)斷時(shí)的對應電流
該電流igd會(huì )流過(guò)驅動(dòng)電阻Rg，在mos管GS之間又引入一個(gè)電壓，當該電壓高于mos管的門(mén)檻電壓Vth時(shí)，mos管會(huì )誤開(kāi)通，為了防止mos管誤開(kāi)通，應當滿(mǎn)足：
式(6)給出了驅動(dòng)電阻Rg的上限值，式(6)中Cgd為mos管gd的寄生電容，Vth為mos管的門(mén)檻電壓，均可以在對應的datasheet中查到，dV/dt則可以根據電路實(shí)際工作時(shí)mos的DS電壓和mos管關(guān)斷時(shí)DS電壓上升時(shí)間(該時(shí)間一般在datasheet中也能查到)求得。
從上面的分析可以看到，在mos管關(guān)斷時(shí)，為了防止誤開(kāi)通，應當盡量減小關(guān)斷時(shí)驅動(dòng)回路的阻抗。基于這一思想，下面再給出兩種很常用的改進(jìn)型電路，可以有效地避免關(guān)斷時(shí)mos的誤開(kāi)通問(wèn)題。
圖4給出的改進(jìn)電路1是在驅動(dòng)電阻上反并聯(lián)了一個(gè)二極管，當mos關(guān)斷時(shí)，關(guān)斷電流就會(huì )流經(jīng)二極管Doff，這樣mos管gs的電壓就為二極管的導通壓降，一般為0.7V，遠小于mos的門(mén)檻電壓(一般為2.5V以上)，有效地避免了mos的誤開(kāi)通。
圖5給出的改進(jìn)電路2是在驅動(dòng)電路上加入了一個(gè)開(kāi)通二極管Don和關(guān)斷三級管Qoff。當mos關(guān)斷時(shí)，Qoff打開(kāi)，關(guān)斷電流就會(huì )流經(jīng)該三極管Qoff，這樣mos管gs的電壓就被鉗位至地電平附近，從而有效地避免了mos的誤開(kāi)通。
驅動(dòng)電阻阻值的選擇
根據1.1節和1.2節的分析，就可以求得mos管驅動(dòng)電阻的上限值和下限值，一般來(lái)說(shuō)，mos管驅動(dòng)電阻的取值范圍在5~100歐姆之間，那么在這個(gè)范圍內如何進(jìn)一步優(yōu)化阻值的選取呢？
這就要從損耗方面來(lái)考慮，當驅動(dòng)電阻阻值越大時(shí)，mos管開(kāi)通關(guān)斷時(shí)間越長(cháng)(如圖6所示)，在開(kāi)關(guān)時(shí)刻電壓電流交疊時(shí)間久越大，造成的開(kāi)關(guān)損耗就越大(如圖7所示)。所以在保證驅動(dòng)電阻能提供足夠的阻尼，防止驅動(dòng)電流震蕩的前提下，驅動(dòng)電阻應該越小越好。
R7作用：防靜電影響MOS，管子的DG,GS之間分別有結電容, DS之間電壓會(huì )給電容充電,這樣G極積累的靜電電壓就會(huì )抬高直到mos管導通，電壓高時(shí)可能會(huì )損壞管子. 同時(shí)為結電容提供泄放通道，可以加快MOS開(kāi)關(guān)速度。 阻值一般為幾千左右。
R6和D3作用：在MOS關(guān)斷時(shí)，這個(gè)回路快速放掉柵極結電容的電荷，柵極電位快速下降，因此可以加快MOS開(kāi)關(guān)速度。另外，高頻時(shí)， MOSFET的輸入阻抗將降低，而且在某個(gè)頻率范圍內將變成負阻，會(huì )發(fā)生振蕩，這個(gè)電阻可以減少震蕩。R6阻值一般較小，幾歐到幾十歐左右。
C11，R8和d5作用：MOS有分布電感，關(guān)斷時(shí)會(huì )有反峰電壓。Rc部分用于吸收尖波，這個(gè)設計給這個(gè)反峰提供了釋放回路。D5是為了防止高電壓擊穿mos。經(jīng)實(shí)驗，去掉該回路后波形有很大的震蕩。
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