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電動自行車控制器MOSFET驅(qū)動電路的設(shè)計

作者: 時間:2011-09-22 來源:網(wǎng)絡 收藏

具有環(huán)保節(jié)能,價格合適,無噪聲,便利等特點,因此,成為當今社會人們主要的代步工具。與此同時,消費者和商家對整車的質(zhì)量及可靠性要求也越來越高。作為整車四大件之一的的可靠性顯得尤為重要。功率以及相關(guān)的直接與的可靠性緊密相關(guān),尤其是在續(xù)流側(cè),不當,續(xù)流側(cè) 很容易損壞,因此本文就如何測量、分析與調(diào)整的MOSFET線路來提高MOSFET的可靠性作一些研究,以便能夠為人員在設(shè)計產(chǎn)品時作一些參考。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/178610.htm

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上升至平臺電壓Vp,門極電壓為Cgs充電。在此期間內(nèi)MOSFET開始導通并進入飽和狀態(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)進入完全導通狀態(tài)。
MOSFET關(guān)斷時波形與開通時相反,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,Ls一般要比Ld大。

因此,我們在實際的開關(guān)應用中應特別注意寄生電容和引線電感對開關(guān)波形的影響,特別是在負載為電感性負載時更應注意。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

2.1由分立器件組成的驅(qū)動電路

由分立器件組成的驅(qū)動電路((如圖3所示),驅(qū)動電路工作原理如下:

A.當HS為高電平時,Q7、Q4導通,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導通。在導通期間,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,電容C4亦稱為自舉電容。Q5靠C4兩端的電壓來維持導通。

B. 當HS為低電平時,Q7、Q4關(guān)閉,Q6導通,為Q5的柵極提供放電回路,從而使Q5很快關(guān)閉。當Q5關(guān)閉后,由于下管的開通或負載的作用,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,為下一次導通做好準備。

C. 當LS為低電平時,Q8、Q11導通,Q10關(guān)閉,驅(qū)動電路通過R11為下管Q9的柵極充電,使Q9導通。

D. 當LS為高電平時,Q8、Q11關(guān)閉,Q10導通,為Q9的柵極提供放電回路,使Q9關(guān)斷。

E. 當HS和LS同時為高電平時,上管開通下管關(guān)閉。當HS和LS同時為低電平時,上管關(guān)閉下管開通。在實際應用中,為了避免上下管同時開通,HS和LS的邏輯要靠MCU或邏輯電路來保證。

2.2 半橋驅(qū)動芯片組成的驅(qū)動電路

半橋驅(qū)動芯片組成的驅(qū)動電路如圖4所示,工作原理如下:

A.當HS和LS同時為高電平時,HO有驅(qū)動電壓輸出,使Q1開通。當HS和LS同時為低電平時,LO有驅(qū)動電壓輸出,使Q2開通。

B.電容C2與分立器件驅(qū)動電路里的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)時對驅(qū)動電路浮動電源部分的干擾,一般應加上此電容。

2.3 兩種驅(qū)動線路的區(qū)別

A.兩種驅(qū)動電路在開通時能提供基本相同的驅(qū)動電流驅(qū)動MOSFET開通,但在MOSFET關(guān)斷時,分立器件驅(qū)動電路因為有三極管放電,所以能提供更大的放電電流關(guān)閉MOSFET,而半橋驅(qū)動電路由于要經(jīng)過柵極電阻放電,所以放電電流相對較小,導致MOSFET關(guān)閉時間過長,開關(guān)損耗相應增加。解決的辦法可以是在驅(qū)動電阻上反并聯(lián)一只二極管并增加一個放電的PNP三極管。
B.分立器件驅(qū)動電路用的器件較多,可靠性相對沒有半橋芯片的驅(qū)動電路高。但前提條件是半橋驅(qū)動芯片的驅(qū)動電路要設(shè)計合理。

3 MOSFET驅(qū)動線路的要求及參數(shù)的調(diào)整

門極電壓不能超過Vgs的最大值。在設(shè)計驅(qū)動線路時,應考慮驅(qū)動電源電壓和線路的抗干擾性,確保MOSFET在帶感性負載且工作在開關(guān)狀態(tài)時柵極電壓不超過Vgs的最大值。

為了能夠減少MOSFET的開關(guān)損耗,驅(qū)動線路應能提供足夠大的驅(qū)動電流,使開通和關(guān)斷的時間盡可能短,同時,盡量減少門極電壓的高頻震蕩。如果要獲得同樣的RC時間常數(shù),使用較小的驅(qū)動電阻和較大的電容可以獲得較好的驅(qū)動特性,但驅(qū)動線路的損耗同時也增加了。

圖5和圖6是實際應用中的測試波形,從圖中我們可以看出:①電容的增加使得開啟的時間變長,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,由于米勒平臺的振蕩減小,MOSFET在米勒平臺期間的損耗也會相應減小。

延長MOSFET的開通時間可以減小開通時的涌入電流。由于電機負載為感性負載,所以在PWM關(guān)斷時存在續(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反向恢復電流Irr突然關(guān)斷時,MOSFET(Q3)上的電壓Vds會出現(xiàn)振鈴(如圖8中CH2所示)。此振鈴的出現(xiàn)會導致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減小振鈴:

A.設(shè)計線路時應考慮線路板布線:①盡量縮短驅(qū)動線路與MOSFET之間的線跡長度;②使大電流回路的銅箔走線盡量短且寬,必要時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的方法來抑制線路的振鈴。

注意Cdv/dt產(chǎn)生的柵極感應電壓。如圖7所示:在控制MOSFET Q1的導通開關(guān)期間,因為Q1的米勒效應和導通延遲的緣故,滿輸入電壓并不會立刻出現(xiàn)在Q3的漏極上。施加在Q3上的漏極電壓會感應出一個通過其柵-漏極間米勒電容Cgd(見圖2)進行耦合的電流。該感應電流在Q3的內(nèi)部柵極電阻Rg和外部柵極電阻的兩端產(chǎn)生一個壓降。該電壓將對Q3柵極上的柵-源極間電容Cgs進行充電。Q3上的感應柵極電壓的幅度是dv/dt、Cgd、Cgs和總柵極電阻的一個函數(shù)。

感應柵極電壓如圖8中的CH1所示,其值已達到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,會在Ls的兩端感應出一個極性為上負下正的電壓,如圖9所示,此時加在DIE上的電壓Vgs(die)要大于在外部引腳上測量的Vgs電壓,所以由于Ls的影響,使得MOSFET有提前導通的可能。如果下管由于感應電壓而導通,則會造成上下管穿通,如果MOSFET不能承受此穿通電流,MOSFET就會損壞。

防止產(chǎn)生Cdv/dt感應導通的方法:

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)斷時的dv/dt和di/dt,使感應電壓Cdv/dt和Lsdi/dt減小。

D.增加Q3的柵極電容Cgs,從而減小感應電壓。

保留Cdv/dt感應導通的好處

Cdv/dt感應導通有一個好處: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), 同時也減小了系統(tǒng)的EMI干擾。因此,在設(shè)計MOSFET驅(qū)動線路時,我們應根據(jù)實際情況來權(quán)衡驅(qū)動參數(shù)的調(diào)整,即究竟是阻止Cdv/dt感應導通以求最大限度地提升電路效率和可靠性還是采用Cdv/dt感應導通來抑制過多的寄生振鈴。

4 結(jié)論

4.1 在開始設(shè)計之前,應該全面了解所選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),確保當工作條件最惡劣時這些參數(shù)不要超過MOSFET的最大額定值。

4.2 在線路設(shè)計階段,必須進行熱設(shè)計,以確保MOSFET工作在安全工作區(qū)。應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)時間,將開關(guān)損耗降到最低。有時為了進一步提高效率,降低溫升,還可采用同步整流。

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