電動(dòng)自行車控制器MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
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電動(dòng)自行車具有環(huán)保節(jié)能，價(jià)格合適，無(wú)噪聲，便利等特點(diǎn)，因此，電動(dòng)自行車成為當(dāng)今社會(huì)人們主要的代步工具。與此同時(shí)，消費(fèi)者和商家對(duì)整車的質(zhì)量及可靠性要求也越來(lái)越高。作為整車四大件之一的控制器的可靠性顯得尤為重要。功率MOSFET以及相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)直接與控制器的可靠性緊密相關(guān)，尤其是在續(xù)流側(cè)，MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)不當(dāng)，續(xù)流側(cè) MOSFET很容易損壞，因此本文就如何測(cè)量、分析與調(diào)整控制器的MOSFET驅(qū)動(dòng)線路來(lái)提高M(jìn)OSFET的可靠性作一些研究，以便能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)作一些參考。
1 MOSFET開關(guān)過程及MOSFET參數(shù)模型
1.1 MOSFET開通過程
MOSFET開通過程中的波形見圖1所示，其開通的過程可分為四個(gè)階段：
階段A、t0¬—t1：門極電壓Vgs由0V逐漸上升至Vth，在此期間內(nèi)MOSFET關(guān)閉，Vds不變，Id=0A。
階段B、t1—t2：門極電壓Vgs由Vth上升至平臺(tái)電壓Vp，門極電壓為Cgs充電。在此期間內(nèi)MOSFET開始導(dǎo)通并進(jìn)入飽和狀態(tài)，Vds基本保持不變，Id由0上升至Id（max）。
階段C、t2—t3：門極電壓Vgs保持不變，門極電壓為Cgd充電。在此期間內(nèi)MOSFET仍處于飽和狀態(tài)，Vds迅速下降，Id保持不變。
階段D、t3—t4：門極電壓Vgs由Vp繼續(xù)上升，在此期間內(nèi)MOSFET退出飽和狀態(tài)進(jìn)入完全導(dǎo)通狀態(tài)。
MOSFET關(guān)斷時(shí)波形與開通時(shí)相反，在此不再敘述。
1.2 MOSFET寄生參數(shù)
MOSFET寄生參數(shù)模型如圖2所示。由于MOSFET的結(jié)構(gòu)、引線和封裝的影響，在MOSFET制作完成后，其各引腳間存在PN結(jié)寄生電容和寄生電感，引腳上存在引線電感。由于源極的引線較長(zhǎng)，Ls一般要比Ld大。
因此，我們?cè)趯?shí)際的開關(guān)應(yīng)用中應(yīng)特別注意寄生電容和引線電感對(duì)開關(guān)波形的影響，特別是在負(fù)載為電感性負(fù)載時(shí)更應(yīng)注意。MOSFET的輸入電容、反向傳輸電容和輸出電容分別表示如下：
Ciss=Cgs+Cgd
Crss=Cgd
Coss=Cgd+Cds
2 兩種常見的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路
2.1由分立器件組成的驅(qū)動(dòng)電路
由分立器件組成的驅(qū)動(dòng)電路（（如圖3所示），驅(qū)動(dòng)電路工作原理如下：
A．當(dāng)HS為高電平時(shí)，Q7、Q4導(dǎo)通，Q6關(guān)閉，電容C4上的電壓（約14V）經(jīng)過Q4、D3、R6加到Q5的柵極，使Q5導(dǎo)通。在導(dǎo)通期間，Q5的源極電壓（Phase）接近電源電壓Vdc，所以電容兩端的電壓隨著Phase電壓一起浮動(dòng)，電容C4亦稱為自舉電容。Q5靠C4兩端的電壓來(lái)維持導(dǎo)通。
B. 當(dāng)HS為低電平時(shí)，Q7、Q4關(guān)閉，Q6導(dǎo)通，為Q5的柵極提供放電回路，從而使Q5很快關(guān)閉。當(dāng)Q5關(guān)閉后，由于下管的開通或負(fù)載的作用，使得Phase電壓下降接近0V，從而使C4經(jīng)過+15V→D2→C4→GND回路充電，為下一次導(dǎo)通做好準(zhǔn)備。
C. 當(dāng)LS為低電平時(shí)，Q8、Q11導(dǎo)通，Q10關(guān)閉，驅(qū)動(dòng)電路通過R11為下管Q9的柵極充電，使Q9導(dǎo)通。
D. 當(dāng)LS為高電平時(shí)，Q8、Q11關(guān)閉，Q10導(dǎo)通，為Q9的柵極提供放電回路,使Q9關(guān)斷。
E. 當(dāng)HS和LS同時(shí)為高電平時(shí)，上管開通下管關(guān)閉。當(dāng)HS和LS同時(shí)為低電平時(shí)，上管關(guān)閉下管開通。在實(shí)際應(yīng)用中，為了避免上下管同時(shí)開通，HS和LS的邏輯要靠MCU或邏輯電路來(lái)保證。
2.2 半橋驅(qū)動(dòng)芯片組成的驅(qū)動(dòng)電路
半橋驅(qū)動(dòng)芯片組成的驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，工作原理如下：
A．當(dāng)HS和LS同時(shí)為高電平時(shí)，HO有驅(qū)動(dòng)電壓輸出，使Q1開通。當(dāng)HS和LS同時(shí)為低電平時(shí)，LO有驅(qū)動(dòng)電壓輸出，使Q2開通。
B．電容C2與分立器件驅(qū)動(dòng)電路里的C4作用相同，同樣為自舉電容。
C．電容C1為去藕電容，為抑制功率MOSFET開關(guān)時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路浮動(dòng)電源部分的干擾，一般應(yīng)加上此電容。
2.3 兩種驅(qū)動(dòng)線路的區(qū)別
A．兩種驅(qū)動(dòng)電路在開通時(shí)能提供基本相同的驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)MOSFET開通，但在MOSFET關(guān)斷時(shí)，分立器件驅(qū)動(dòng)電路因?yàn)橛?/font>三極管放電，所以能提供更大的放電電流關(guān)閉MOSFET，而半橋驅(qū)動(dòng)電路由于要經(jīng)過柵極電阻放電，所以放電電流相對(duì)較小，導(dǎo)致MOSFET關(guān)閉時(shí)間過長(zhǎng)，開關(guān)損耗相應(yīng)增加。解決的辦法可以是在驅(qū)動(dòng)電阻上反并聯(lián)一只二極管并增加一個(gè)放電的PNP三極管。
B．分立器件驅(qū)動(dòng)電路用的器件較多，可靠性相對(duì)沒有半橋芯片的驅(qū)動(dòng)電路高。但前提條件是半橋驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)電路要設(shè)計(jì)合理。
3 MOSFET驅(qū)動(dòng)線路的要求及參數(shù)的調(diào)整
門極電壓不能超過Vgs的最大值。在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)線路時(shí)，應(yīng)考慮驅(qū)動(dòng)電源電壓和線路的抗干擾性，確保MOSFET在帶感性負(fù)載且工作在開關(guān)狀態(tài)時(shí)柵極電壓不超過Vgs的最大值。
為了能夠減少M(fèi)OSFET的開關(guān)損耗，驅(qū)動(dòng)線路應(yīng)能提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流，使開通和關(guān)斷的時(shí)間盡可能短，同時(shí)，盡量減少門極電壓的高頻震蕩。如果要獲得同樣的RC時(shí)間常數(shù)，使用較小的驅(qū)動(dòng)電阻和較大的電容可以獲得較好的驅(qū)動(dòng)特性，但驅(qū)動(dòng)線路的損耗同時(shí)也增加了。
圖5和圖6是實(shí)際應(yīng)用中的測(cè)試波形，從圖中我們可以看出：①電容的增加使得開啟的時(shí)間變長(zhǎng)，增加了開通損耗。②電容的增加，使得門極電壓的高頻震蕩減少。同時(shí)，由于米勒平臺(tái)的振蕩減小，MOSFET在米勒平臺(tái)期間的損耗也會(huì)相應(yīng)減小。
延長(zhǎng)MOSFET的開通時(shí)間可以減小開通時(shí)的涌入電流。由于電機(jī)負(fù)載為感性負(fù)載，所以在PWM關(guān)斷時(shí)存在續(xù)流現(xiàn)象（見圖7中的I2），為了減小續(xù)流側(cè)反向恢復(fù)電流（Irr）的大小，PWM側(cè)開關(guān)管的開通速度不宜過快。由于MOSFET處于飽和區(qū)時(shí)有公式：Id=K*(Vgs-Vth)2,（K為一常數(shù)，由MOSFET的特性決定）。所以在一定的溫度和Vds條件下，從MOSFET的門極驅(qū)動(dòng)電壓Vgs可以判斷MOSFET中的電流大小。圖5中Vgs峰值為9.1V，圖6中Vgs峰值為6.4V，所以增加電容使得峰值電流減小。Id也可從MOSFET的轉(zhuǎn)移特性圖中獲得。
由于MOSFET的封裝電感和線路的雜散電感的存在，在MOSFET反向恢復(fù)電流Irr突然關(guān)斷時(shí)，MOSFET（Q3）上的電壓Vds會(huì)出現(xiàn)振鈴（如圖8中CH2所示）。此振鈴的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致Vds超過MOSFET的擊穿電壓從而發(fā)生雪崩現(xiàn)象。如果線路中出現(xiàn)振鈴，我們可以通過以下方法來(lái)減小振鈴：
A．設(shè)計(jì)線路時(shí)應(yīng)考慮線路板布線：①盡量縮短驅(qū)動(dòng)線路與MOSFET之間的線跡長(zhǎng)度；②使大電流回路的銅箔走線盡量短且寬，必要時(shí)可以在銅箔表面加錫；③合理的走線，使大電流環(huán)路的面積最小。
B．如果線路雜散電感已經(jīng)確定，可以通過減小PWM側(cè)的MOSFET開通速度來(lái)減小在續(xù)流側(cè)的MOSFET上的Vds振鈴，從而能夠使MOSFET上的Vds不超過最大耐壓值。
C．如果以上兩種方法都不能很好地解決問題，我們可以通過在相線上加snubber的方法來(lái)抑制線路的振鈴。
注意Cdv/dt產(chǎn)生的柵極感應(yīng)電壓。如圖7所示：在控制MOSFET Q1的導(dǎo)通開關(guān)期間，因?yàn)镼1的米勒效應(yīng)和導(dǎo)通延遲的緣故，滿輸入電壓并不會(huì)立刻出現(xiàn)在Q3的漏極上。施加在Q3上的漏極電壓會(huì)感應(yīng)出一個(gè)通過其柵-漏極間米勒電容Cgd（見圖2）進(jìn)行耦合的電流。該感應(yīng)電流在Q3的內(nèi)部柵極電阻Rg和外部柵極電阻的兩端產(chǎn)生一個(gè)壓降。該電壓將對(duì)Q3柵極上的柵-源極間電容Cgs進(jìn)行充電。Q3上的感應(yīng)柵極電壓的幅度是dv/dt、Cgd、Cgs和總柵極電阻的一個(gè)函數(shù)。
感應(yīng)柵極電壓如圖8中的CH1所示，其值已達(dá)到2.3V。另外，由于源極引線電感的存在，在Q3內(nèi)的電流迅速減小時(shí)，會(huì)在Ls的兩端感應(yīng)出一個(gè)極性為上負(fù)下正的電壓，如圖9所示，此時(shí)加在DIE上的電壓Vgs（die）要大于在外部引腳上測(cè)量的Vgs電壓，所以由于Ls的影響，使得MOSFET有提前導(dǎo)通的可能。如果下管由于感應(yīng)電壓而導(dǎo)通，則會(huì)造成上下管穿通，如果MOSFET不能承受此穿通電流，MOSFET就會(huì)損壞。
防止產(chǎn)生Cdv/dt感應(yīng)導(dǎo)通的方法：
A．選擇具有較高門限電壓的MOSFET。
B．選擇具有較小米勒電容Cgd和較小Cgd/Cgs的MOSFET。
C．使上橋（Q1）的開啟速度變慢，從而減小關(guān)斷時(shí)的dv/dt和di/dt，使感應(yīng)電壓Cdv/dt和Lsdi/dt減小。
D．增加Q3的柵極電容Cgs，從而減小感應(yīng)電壓。
保留Cdv/dt感應(yīng)導(dǎo)通的好處
Cdv/dt感應(yīng)導(dǎo)通有一個(gè)好處：它能夠減小續(xù)流側(cè)MOSFET上的電壓尖峰和Vds振鈴（V = L×dIrr/dt; L:環(huán)路寄生電感）， 同時(shí)也減小了系統(tǒng)的EMI干擾。因此，在設(shè)計(jì)MOSFET驅(qū)動(dòng)線路時(shí)，我們應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來(lái)權(quán)衡驅(qū)動(dòng)參數(shù)的調(diào)整,即究竟是阻止Cdv/dt感應(yīng)導(dǎo)通以求最大限度地提升電路效率和可靠性還是采用Cdv/dt感應(yīng)導(dǎo)通來(lái)抑制過多的寄生振鈴。
4 結(jié)論
4.1 在開始設(shè)計(jì)之前，應(yīng)該全面了解所選MOSFET的參數(shù)，判斷MOSFET是否能滿足產(chǎn)品要求，包括MOSFET的耐壓（Vgs和Vds）、最大電流等參數(shù)，確保當(dāng)工作條件最惡劣時(shí)這些參數(shù)不要超過MOSFET的最大額定值。
4.2 在線路設(shè)計(jì)階段，必須進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，以確保MOSFET工作在安全工作區(qū)。應(yīng)特別注意線路板的布線，盡量減小線路雜散電感。
4.3 在不影響可靠性的情況下盡量縮短開關(guān)時(shí)間，將開關(guān)損耗降到最低。有時(shí)為了進(jìn)一步提高效率，降低溫升，還可采用同步整流。
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