功率MOS管驅(qū)動(dòng)電路圖文分析與功率MOS管保護(hù)電路設(shè)計(jì)解析-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2019-04-26
功率MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，即MOSFET，其原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導(dǎo)體），F(xiàn)ET（Field Effect Transistor場(chǎng)效應(yīng)晶體管），即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場(chǎng)的效應(yīng)來(lái)控制半導(dǎo)體（S）的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
N溝道增強(qiáng)型小功率MOS管的結(jié)構(gòu)示意圖
功率mos的工作原理為：截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。
導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS，柵極是絕緣的，所以不會(huì)有柵極電流流過(guò)。但柵極的正電壓會(huì)將其下面P區(qū)中的空穴推開(kāi)，而將P區(qū)中的少子—電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。當(dāng)UGS大于UT（開(kāi)啟電壓或閾值電壓）時(shí)，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過(guò)空穴濃度，使P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。
功率MOS管自身?yè)碛斜姸鄡?yōu)點(diǎn)，但是MOS管具有較脆弱的承受短時(shí)過(guò)載能力，特別是在高頻的應(yīng)用場(chǎng)合，所以在應(yīng)用功率MOS管對(duì)必須為其設(shè)計(jì)合理的保護(hù)電路來(lái)提高器件的可靠性，MOS管作用是什么
功率MOS管保護(hù)電路主要有以下幾個(gè)方面：
1）防止柵極 di/dt過(guò)高：由于采用驅(qū)動(dòng)芯片，其輸出阻抗較低，直接驅(qū)動(dòng)功率管會(huì)引起驅(qū)動(dòng)的功率管快速的開(kāi)通和關(guān)斷，有可能造成功率管漏源極間的電壓震蕩，或者有可能造成功率管遭受過(guò)高的di/dt而引起誤導(dǎo)通。為避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，通常在MOS驅(qū)動(dòng)器的輸出與MOS管的柵極之間串聯(lián)一個(gè)電阻，電阻的大小一般選取幾十歐姆。
2）防止柵源極間過(guò)電壓 由于柵極與源極的阻抗很高，漏極與源極間的電壓突變會(huì)通過(guò)極間電容耦合到柵極而產(chǎn)生相當(dāng)高的柵源尖峰電壓，此電壓會(huì)使很薄的柵源氧化層擊穿，同時(shí)柵極很容易積累電荷也會(huì)使柵源氧化層擊穿，所以要在MOS管柵極并聯(lián)穩(wěn)壓管以限制柵極電壓在穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值以下，保護(hù)MOS管不被擊穿，MOS管柵極并聯(lián)電阻是為了釋放柵極電荷，不讓電荷積累。
3）防護(hù)漏源極之間過(guò)電壓 雖然漏源擊穿電壓VDS一般都很大，但如果漏源極不加保護(hù)電路，同樣有可能因?yàn)槠骷_(kāi)關(guān)瞬間電流的突變而產(chǎn)生漏極尖峰電壓，進(jìn)而損壞MOS管，功率管開(kāi)關(guān)速度越快，產(chǎn)生的過(guò)電壓也就越高。為了防止器件損壞，通常采用齊納二極管鉗位和RC緩沖電路等保護(hù)措施。
當(dāng)電流過(guò)大或者發(fā)生短路時(shí)，功率MOS管漏極與源極之間的電流會(huì)迅速增加并超過(guò)額定值，必須在過(guò)流極限值所規(guī)定的時(shí)間內(nèi)關(guān)斷功率MOS管,否則器件將被燒壞，因此在主回路增加電流采樣保護(hù)電路，當(dāng)電流到達(dá)一定值，通過(guò)保護(hù)電路關(guān)閉驅(qū)動(dòng)電路來(lái) 保護(hù)MOS管。圖1是MOS管的保護(hù)電路，由此可以清楚的看出保護(hù)電路的功能。
（1）：等效電路
（2）：說(shuō)明
功率 MOSFET 正向?qū)〞r(shí)可用一電阻等效，該電阻與溫度有關(guān)，溫度升高，該電阻變大；它還與門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓的大小有關(guān)，驅(qū)動(dòng)電壓升高，該電阻變小。詳細(xì)的關(guān)系曲線可從制造商的手冊(cè)中獲得。
（1）：等效電路（門(mén)極不加控制）
（2）：說(shuō)明
即內(nèi)部二極管的等效電路，可用一電壓降等效，此二極管為MOSFET 的體二極管，多數(shù)情況下，因其特性很差，要避免使用。
（1）：等效電路（門(mén)極加控制）
（2）：說(shuō)明
功率 MOSFET 在門(mén)級(jí)控制下的反向?qū)ǎ部捎靡浑娮璧刃В撾娮枧c溫度有關(guān)，溫度升高，該電阻變大；它還與門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓的大小有關(guān)，驅(qū)動(dòng)電壓升高，該電阻變小。詳細(xì)的關(guān)系曲線可從制造商的手冊(cè)中獲得。此工作狀態(tài)稱(chēng)為MOSFET 的同步整流工作，是低壓大電流輸出開(kāi)關(guān)電源中非常重要的一種工作狀態(tài)。
（1）：等效電路
（2）：說(shuō)明
功率 MOSFET 正向截止時(shí)可用一電容等效，其容量與所加的正向電壓、環(huán)境溫度等有關(guān)，大小可從制造商的手冊(cè)中獲得。
功率MOSFET的穩(wěn)態(tài)特性總結(jié)
（1）：功率MOSFET 穩(wěn)態(tài)時(shí)的電流/電壓曲線
（2）：說(shuō)明
功率 MOSFET 正向飽和導(dǎo)通時(shí)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)
當(dāng)門(mén)極不加控制時(shí)，其反向?qū)ǖ姆€(wěn)態(tài)工作點(diǎn)同二極管。
（3）：穩(wěn)態(tài)特性總結(jié)
-- 門(mén)極與源極間的電壓Vgs 控制器件的導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)VgsVth時(shí)，器件處于導(dǎo)通狀態(tài)；器件的通態(tài)電阻與Vgs有關(guān)，Vgs大，通態(tài)電阻小；多數(shù)器件的Vgs為 12V-15V ，額定值為+-30V；
-- 器件的漏極電流額定是用它的有效值或平均值來(lái)標(biāo)稱(chēng)的；只要實(shí)際的漏極電流有效值沒(méi)有超過(guò)其額定值，保證散熱沒(méi)問(wèn)題，則器件就是安全的；
-- 器件的通態(tài)電阻呈正溫度系數(shù)，故原理上很容易并聯(lián)擴(kuò)容，但實(shí)際并聯(lián)時(shí)，還要考慮驅(qū)動(dòng)的對(duì)稱(chēng)性和動(dòng)態(tài)均流問(wèn)題；
-- 目前的 Logic-Level的功率 MOSFET，其Vgs只要 5V，便可保證漏源通態(tài)電阻很小；
-- 器件的同步整流工作狀態(tài)已變得愈來(lái)愈廣泛，原因是它的通態(tài)電阻非常小（目前最小的為2-4 毫歐），在低壓大電流輸出的DC/DC 中已是最關(guān)鍵的器件；
圖2(a)為常用的小功率驅(qū)動(dòng)電路，簡(jiǎn)單可靠成本低。適用于不要求隔離的小功率開(kāi)關(guān)設(shè)備。圖2(b)所示驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)關(guān)速度很快，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，為防止兩個(gè)MOSFET管直通，通常串接一個(gè)0.5～1Ω小電阻用于限流，該電路適用于不要求隔離的中功率開(kāi)關(guān)設(shè)備。這兩種電路特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
圖2 常用的不隔離的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路
功率mos屬于電壓型控制器件，只要柵極和源極之間施加的電壓超過(guò)其閥值電壓就會(huì)導(dǎo)通。由于MOSFET存在結(jié)電容，關(guān)斷時(shí)其漏源兩端電壓的突然上升將會(huì)通過(guò)結(jié)電容在柵源兩端產(chǎn)生干擾電壓。常用的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)斷回路阻抗小，關(guān)斷速度較快，但它不能提供負(fù)壓，故抗干擾性較差。為了提高電路的抗干擾性，可在此種驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ)上增加一級(jí)有V1、V2、R組成的電路，產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓，電路原理圖如圖3所示。
圖3 提供負(fù)壓的互補(bǔ)電路
當(dāng)V1導(dǎo)通時(shí)，V2關(guān)斷，兩個(gè)MOSFET中的上管的柵、源極放電，下管的柵、源極充電，即上管關(guān)斷，下管導(dǎo)通，則被驅(qū)動(dòng)的功率管關(guān)斷;反之V1關(guān)斷時(shí)，V2導(dǎo)通，上管導(dǎo)通，下管關(guān)斷，使驅(qū)動(dòng)的管子導(dǎo)通。因?yàn)樯舷聝蓚€(gè)管子的柵、源極通過(guò)不同的回路充放電，包含有V2的回路，由于V2會(huì)不斷退出飽和直至關(guān)斷，所以對(duì)于S1而言導(dǎo)通比關(guān)斷要慢，對(duì)于S2而言導(dǎo)通比關(guān)斷要快，所以?xún)晒馨l(fā)熱程度也不完全一樣，S1比S2發(fā)熱嚴(yán)重。
該驅(qū)動(dòng)電路的缺點(diǎn)是需要雙電源，且由于R的取值不能過(guò)大，否則會(huì)使V1深度飽和，影響關(guān)斷速度，所以R上會(huì)有一定的損耗。
(1)正激式驅(qū)動(dòng)電路。電路原理如圖(a)所示，N3為去磁繞組，S2為所驅(qū)動(dòng)的功率管。R2為防止功率管柵極、源極端電壓振蕩的一個(gè)阻尼電阻。因不要求漏感較小，且從速度方面考慮，一般R2較小，故在分析中忽略不計(jì)。
圖4正激驅(qū)動(dòng)電路
其等效電路圖如圖4(b)所示脈沖不要求的副邊并聯(lián)一電阻R1，它做為正激變換器的假負(fù)載，用于消除關(guān)斷期間輸出電壓發(fā)生振蕩而誤導(dǎo)通。同時(shí)它還可以作為功率MOSFET關(guān)斷時(shí)的能量泄放回路。該驅(qū)動(dòng)電路的導(dǎo)通速度主要與被驅(qū)動(dòng)的S2柵極、源極等效輸入電容的大小、S1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的速度以及S1所能提供的電流大小有關(guān)。由仿真及分析可知，占空比D越小、R1越大、L越大，磁化電流越小，U1值越小，關(guān)斷速度越慢。
該電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：①電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，實(shí)現(xiàn)了隔離驅(qū)動(dòng)。 ②只需單電源即可提供導(dǎo)通時(shí)的正、關(guān)斷時(shí)負(fù)壓。 ③占空比固定時(shí)，通過(guò)合理的參數(shù)設(shè)計(jì)，此驅(qū)動(dòng)電路也具有較快的開(kāi)關(guān)速度。
該電路存在的缺點(diǎn)：一是由于隔離變壓器副邊需要噎嗝假負(fù)載防振蕩，故電路損耗較大;二是當(dāng)占空比變化時(shí)關(guān)斷速度變化較大。脈寬較窄時(shí)，由于是儲(chǔ)存的能量減少導(dǎo)致MOSFET柵極的關(guān)斷速度變慢。
(2)有隔離變壓器的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路。如圖5所示，V1、V2為互補(bǔ)工作，電容C起隔離直流的作用，T1為高頻、高磁率的磁環(huán)或磁罐。
圖5 有隔離變壓器的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路
導(dǎo)通時(shí)隔離變壓器上的電壓為(1-D)Ui、關(guān)斷時(shí)為D Ui，若主功率管S可靠導(dǎo)通電壓為12V，而隔離變壓器原副邊匝比N1/N2為12/[(1-D)Ui]。為保證導(dǎo)通期間GS電壓穩(wěn)定C值可稍取大些。該電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：
①電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，具有電氣隔離作用。當(dāng)脈寬變化時(shí)，驅(qū)動(dòng)的關(guān)斷能力不會(huì)隨著變化。
②該電路只需一個(gè)電源，即為單電源工作。隔直電容C的作用可以在關(guān)斷所驅(qū)動(dòng)的管子時(shí)提供一個(gè)負(fù)壓，從而加速了功率管的關(guān)斷，且有較高的抗干擾能力。
但該電路存在的一個(gè)較大缺點(diǎn)是輸出電壓的幅值會(huì)隨著占空比的變化而變化。當(dāng)D較小時(shí)，負(fù)向電壓小，該電路的抗干擾性變差，且正向電壓較高，應(yīng)該注意使其幅值不超過(guò)MOSFET柵極的允許電壓。當(dāng)D大于0.5時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓正向電壓小于其負(fù)向電壓，此時(shí)應(yīng)該注意使其負(fù)電壓值不超過(guò)MOAFET柵極允許電壓。所以該電路比較適用于占空比固定或占空比變化范圍不大以及占空比小于0.5的場(chǎng)合。
(3)集成芯片UC3724/3725構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路
功率mos電路構(gòu)成如圖6所示。其中UC3724用來(lái)產(chǎn)生高頻載波信號(hào)，載波頻率由電容CT和電阻RT決定。一般載波頻率小于600kHz，4腳和6腳兩端產(chǎn)生高頻調(diào)制波，經(jīng)高頻小磁環(huán)變壓器隔離后送到UC3725芯片7、8兩腳經(jīng)UC3725進(jìn)行調(diào)制后得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)，UC3725內(nèi)部有一肖特基整流橋同時(shí)將7、8腳的高頻調(diào)制波整流成一直流電壓供驅(qū)動(dòng)所需功率。
一般來(lái)說(shuō)載波頻率越高驅(qū)動(dòng)延時(shí)越小，但太高抗干擾變差;隔離變壓器磁化電感越大磁化電流越小，UC3724發(fā)熱越少，但太大使匝數(shù)增多導(dǎo)致寄生參數(shù)影響變大，同樣會(huì)使抗干擾能力降低。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出：對(duì)于開(kāi)關(guān)頻率小于100kHz的信號(hào)一般取(400～500)kHz載波頻率較好，變壓器選用較高磁導(dǎo)如5K、7K等高頻環(huán)形磁芯，其原邊磁化電感小于約1毫亨左右為好。
這種驅(qū)動(dòng)電路僅適合于信號(hào)頻率小于100kHz的場(chǎng)合，因信號(hào)頻率相對(duì)載波頻率太高的話，相對(duì)延時(shí)太多，且所需驅(qū)動(dòng)功率增大，UC3724和UC3725芯片發(fā)熱溫升較高，故100kHz以上開(kāi)關(guān)頻率僅對(duì)較小極電容的MOSFET才可以。對(duì)于1kVA左右開(kāi)關(guān)頻率小于100kHz的場(chǎng)合，它是一種良好的驅(qū)動(dòng)電路。該電路具有以下特點(diǎn)：?jiǎn)坞娫垂ぷ鳎刂菩盘?hào)與驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)隔離，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單尺寸較小，尤其適用于占空比變化不確定或信號(hào)頻率也變化的場(chǎng)合。
圖6 集成芯片UC3724/3725構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路
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