MOS管的驱动电路

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MOS管的驱动电路

2024-07-12 04:17| 来源: 网络整理| 查看: 265

MOS管的驱动电路 一、驱动电路的介绍二、mos驱动电路的分类1 非隔离驱动1.1 直接驱动1.2 自举电路 2 隔离驱动2.1 变压器隔离2.2 光耦隔离

一、驱动电路的介绍

在电源或者硬件设计中,无论是三极管BJT,还是mos管,都需要驱动电路。这是为什么呢?为何不能直接将脉冲波形加在开关管上?驱动电路的作用主要有以下几点:

提供足够的驱动能力。由于驱动信号往往从控制器如DSP,单片机给出,驱动电压和电流不足以使开关管导通,所以需要驱动电路进行驱动能力匹配保证开关管良好的开关状态。在一个电路中,开关管不能太快或者太慢,太快EMI过不了,太慢开关损耗又太大。保证器件的可靠性,避免过压和过流。由于开关器件寄生参数的存在,在导通或者关断时,往往产生很大的电压电流尖峰,这会影响电路的性能和器件的可靠性。

驱动电路一般分为电流驱动型和电压驱动型。 BJT等电流控制型器件需要电流驱动型电路。这种电路需要在BJT导通时提供足够大的持续电流。 在这里插入图片描述

而mos管和IGBT等电压驱动型器件,由于输入电阻很大,所以不需要太大的连续驱动电流,但是为保证一定开关速度,峰值电流需要保证。所以电压驱动电路一方面提供足够的驱动电压,另一方面提供一定的峰值电流。

在这里插入图片描述 因mos管开关速度高,导通阻抗小,在开关电源中应用广泛,下面对mos管的驱动电路进行详细介绍。

介绍之前,想先简单介绍下mos管的开通过程,关断过程反过来,也就不详细介绍了。 我们知道mos管包含三个寄生电容Cgs,Cgd,Cds,如下图所示: 在这里插入图片描述

在mos管的datasheet中,并未给出以上三个电容,而是给出了Ciss,Coss,Crss 在这里插入图片描述 Ciss:输入电容,Ciss=Cgs+Cgd Coss:输出电容,Coss=Cgd+Cds Crss:反向传输电容,即米勒电容,Crss=Cgd Cgd随电压是变化的,这就导致了米勒平台的产生。 开通过程包括以下几个阶段: 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述

当Vgs小于Vth时,驱动电压主要给Cgs充电,这是因为此时Cgd承受正压所以容量很小,能存储的电荷也小,所以电荷大部分都跑到Cgs上。当Vgs>Vth时,mos管开始导通,iD产生,此时Cgd增大,所以驱动电流一部分往Cgd走,当mos完全导通后,iD保持不变,所以Vgs不变,驱动电流大部分往Cgd走,进入米勒平台区。Vds在这个时期一直减小。当Cgd增加到与Cgs差不多时(在Vds下降到等于此时的Vgs-Vg(th)这个值的时候,此时Cgd有低阻抗通路,相当于与Cgs并联),驱动电压又分别给两者充电,所以Vgs又上升。 米勒平台的危害主要时增加mos管的交叉损耗,所以时间越短越好。 二、mos驱动电路的分类 1 非隔离驱动

非隔离驱动指的是,控制电路不需要与主电路进行隔离。

1.1 直接驱动

驱动芯片可以与开关管共地,可使用直接驱动电路。 直接驱动电路简化图如下: 在这里插入图片描述 Rgs主要是用来给Cgs放电。 Rg是驱动电阻,用来控制开关速度和抑制电流尖峰。 下面分别讨论两个参数对驱动电压的影响。 Rgs的影响 在开机无驱动时,若不加Rgs,mos会误导通,甚至击穿mos。 从下面的仿真可以看到,不加驱动时,Vgs接近4V,而且整个电路上有电流,说明mos管导通。 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 原因是由于Cgs,Cgd的存在,两者会对输入电压进行分压,分压跟电容成反比,导致Vgs>Vth,所以mos管导通,所以整个回路存在电流。 在这里插入图片描述

加上Rgs后,电路不加驱动时,Vgs上不在有电压。Rgs一般选择10-20k,太大,Cgs放电慢,但太小,电阻功耗大。 在这里插入图片描述在这里插入图片描述 Rg的影响 电路加驱动时,由于PCB引线或者mos寄生电感的存在,驱动等效电路为LC电路,会产生谐振,所以需要加入Rg来增加阻尼。 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 对驱动电路进行仿真,发现驱动电阻需要选取合适,太大,驱动能力减弱,太小,起不到阻尼的作用,Rg一般选择5-10Ω。 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述

1.2 自举电路

自举的意思是利用电容电压不能突变的原理,mos管改变开关状态时,能自动将电压抬升起来,从而将高压mos导通。主要应用在mos不能与驱动IC共地的情况下,如buck电路。 下面以buck芯片tps50601进行说明。 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 自举电路工作过程如下 (1)低压mos导通,Cboot充电,但其上电压g端电压,导致高压mos关闭) 在这里插入图片描述 (2)低压mos关断,Cboot电压抬升,但其上电压为Vin+Vboot>Vth,高压mos导通 在这里插入图片描述 自举电容需要选取的合适,太大,电荷泵充电时,电流过大,而太小,自举电压维持不住。在buck芯片的datasheet中,Cboot一般选择0.1uF。

2 隔离驱动

考虑到可靠性(高压电路和低压电路之间需要隔离),控制电路需要与主电路隔离。

2.1 变压器隔离

基本变压器隔离电路如下图所示。 C1为隔直电容,其上的平均电压为D*Vin。 在这里插入图片描述 但此电路有如下缺点:

驱动电压减小,且有负值占空比D越大,驱动电压越小 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 改进的变压器隔离电路如下: 副边增加了隔直电容和续流二极管。 在这里插入图片描述 下面的波形可以看到,mos的Vgs可以很好的跟随驱动波形。 在这里插入图片描述而且即使D变得很大如0.9,Vgs也不会变得很小 在这里插入图片描述 关于设计:变压器按照正激变压器设计,不能让其饱和隔直电容一般选择几百nF续流二极管选择快恢复二极管 2.2 光耦隔离

变压器容易受寄生参数的影响,且易饱和,而光耦隔离就很好的解决了这一问题,但是光耦受自身参数的影响,频率不能做的很高,且在恶劣条件下,寿命和可靠性降低。 下面是光耦驱动的电路,这里不详细介绍了,注意光耦需要足够的驱动电流才能导通。 在这里插入图片描述



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