MOS管栅极驱动振荡景象缘由及处理体例-KIA MOS管
信息来历：本站 日期：2021-04-20
功率MOSFET以其开关速率快、驱动功率小和功耗高等长处在中小容量的变流器中获得了普遍的利用。
当接纳功率MOSFET桥式拓扑布局时，统一桥臂上的两个功率器件在转换进程中，栅极驱动旌旗灯号会产生振荡，此时功率器件的消耗较大。当振荡幅值较高时，将使功率器件导通，从而造胜利率开关管纵贯而破坏。
今朝经常利用的处理体例是在MOSFET关断时在栅极施加反压，以减弱振荡的影响，但反压电路却占用空间，同时增添了本钱。
本文在深切阐发了MOSFET栅极振荡产生机理底子上，设想了硬件驱动电路。现实阐发和尝试成果标明，接纳本文所提出的体例，只要增添较少的器件就能够或许最大水平地按捺振荡。
由功率MOSFET的等效电路可知，3个极间均存在结电容，栅极输入审察当于一个容性收集，驱动电路存在着散布电感和驱动电阻，此时的桥式逆变电路如图1所示。
以上管守旧进程为例，当下管V2已完整关断时，栅源极同电位。在上管守旧进程中，设上管守旧时候为ton，直流母线电压为E，因为守旧进程时候很短，其漏源极电压敏捷由直流母线电压降落到类似零，相称于鄙人管V2漏源极间突加一个电压E，构成很高的dv/dt。
该dv/dt的数值与上管V1的守旧速率有关，可类似以为
图1 半桥式拓扑的等效电路
此时固然下管已完整关断，可是该dv/dt因结电容Cgd2的存在而对栅源极状况产生影响。
由上式可知，当上管守旧时会鄙人管栅极产生阻尼衰减振荡旌旗灯号，如图2所示。同理，当上管关断、下管守旧时，上管栅极也一样会产生振荡，只是相位与前者相反，其幅值能够表现为
因为振荡频次很高，使MOSFET处于高频开关状况，产生很大的开关消耗。
更严峻的是若振荡的幅值到达MOSFET的门坎电压，下管将守旧，而上管正处于导通状况，此时将形成高低功率管的纵贯景象，形成MOSFET的破坏。以上景象能够经由进程调剂驱动电路参数加以按捺。
图2 栅极振荡搅扰实测波形
驱动电路的改良减小散布电感若取极限环境，驱动电路的散布电感为零，则驱动旌旗灯号由式(3)简化为以下情势
式中，S=Rg2Cgs2。
由上式可知此时振荡已变为指数衰减情势，在t=0时为最大值
由上述阐发可知，散布电感首要影响驱动旌旗灯号振荡的暂态表现情势，若尽可能减小散布电感，能够使驱动旌旗灯号由阻尼振荡变为指数衰减，便可消弭MOSFET的高频开关消耗。同时亦可一定水平上下降振荡幅值。
是以在设想电路时应当尽可能使驱动芯片接近MOSFET，并减小闭合回路所围的面积。如用导线毗连应当利用双绞线或利用同轴电缆，以尽可能减小散布电感。
守旧和关断时候的共同与调剂由式(5)和式(8)可知，MOSFET的守旧时候是影响驱动旌旗灯号振荡幅值的首要身分，呈正比例干系。
若恰当增大器件的守旧时候，便可在很大水平上减小振荡幅值，是以斟酌在驱动芯片与MOSFET栅极间加设缓冲电路，即报酬串接驱动电阻，在MOSFET栅源极间并联电容以耽误栅极电容的充电时候，下降电压变更率。
而MOSFET的关断时候与守旧时候存在着一定的抵触，若纯真增大守旧时候，一定也增大了关断时候，而从减小死区时候角度，但愿关断时候短一些，是以斟酌调剂MOSFET的守旧和关断时候；
在驱动电阻上反并联快规复二极管，转变MOSFET守旧和关断的时候常数，在守旧时为减小dv/dt的应力，增添栅极的充电时候，而关断时候应短一些，以利用较短的死区时候减小输入波形的谐波含量，电路如图3所示。
经由进程以上办法，能够实此刻增大守旧时候，减小电压变更率的同时，保障了较短的关断时候。
图3 改良后驱动电路
现实上，守旧时候越长dv/dt应力越小，振荡产生的搅扰结果就越不明显，可是由MOSFET开关消耗类似公式
式中：f为MOSFET的任务频次。
因为MOSFET凡是任务在几十kHz的开关状况，其充放电电流由栅源极电容和驱动电压决议，若驱动电阻选的很大，使得电路消耗过大，倒霉于驱动电路的宁静运转，是以要综合斟酌电阻、电容的取值。
普通驱动电阻的阻值为几十8，栅源极并联电容的取值以式(10)为参考。
别的办法斟酌到驱动旌旗灯号振荡首要出此刻桥臂一侧MOSFET的关断阶段，即栅源极其零电位时，由PNP三极管的任务道理，在驱动芯片与驱动电阻之间外接PNP三极管，当驱动芯片供给高电日常平凡，三极管不导通，对电路逻辑不形成影响。
在驱动芯片供给低电平进程中，当未产生振荡时，三极管基极与集电极电位均类似为零，三极管不任务；当MOSFET栅源极产生振荡时，三极管集电极电位为正，将饱和导通，振荡电压经反并联二极管和三极管敏捷泄放，防止了MOSFET误导通。
同时在栅源极间并联稳压管，进一步限定栅源极过压。终究改良后驱动电路如图3所示。
图4是任务频次f为40kHz，MOSFET未加缓冲电路的栅极驱动旌旗灯号实测波形，此时驱动芯片间接与MOSFET的栅极相连，因为不斟酌散布电感的感化，芯片与MOSFET摆放地位绝对较远。
现实测得驱动电路散布电感L为135nH，驱动电阻类似为零，从图4中能够看出，改良前振荡的幅值很大，致使MOSFET发烧严峻，直至过热破坏，逆变器底子没法一般任务。
驱动电路改良后，现实测得散布电感L为23.5nH，驱动电阻Rg取为30Ω，并联电容C取为0.01μF。实测栅极驱动波形如图5所示，能够看出改良后的电路很好地处理了栅极驱动旌旗灯号的振荡题目。
图4 改良先驱动旌旗灯号波形
图5 改良后驱动旌旗灯号波形
桥式拓扑布局功率MOSFET在开关转换进程中产生的纵贯景象是因为结电容、驱动电路的散布电感和开关时产生较高的dv/dt在栅极产生振荡形成的。
在阐发了栅极驱动旌旗灯号的振荡机理后，停止了驱动电路的优化设想，在栅源极增添了缓冲电路。
与外加负压电路和有源驱动电路比拟，该电路具备完成简略、宁静靠得住的特色。接纳该驱动电路完成的镇流器，持久运转并未产生过热和破坏MOSFET的景象。
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