低壓Mosfet平臺(tái)電壓時(shí)間對(duì)圖騰柱驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)溆绊憣?duì)策研究

摘要：Mosfet平臺(tái)電壓時(shí)間是Mos管處于放大區(qū)的典型標(biāo)志，Mos管不能很快進(jìn)入開關(guān)狀態(tài)，從而嚴(yán)重增加Mos管的開關(guān)損耗，導(dǎo)致Mos管發(fā)熱量極大。針對(duì)上述問題，綜合考慮圖騰柱驅(qū)動(dòng)電路的柵極電阻參數(shù)不同對(duì)Mosfet平臺(tái)電壓時(shí)間測量和Mos管關(guān)斷期間浪涌電流di/dt對(duì)電容Cgs的影響，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下找出降低Mos管發(fā)熱量的最佳平臺(tái)時(shí)間?；赗LC串聯(lián)諧振電路模型，適當(dāng)增加Mos管柵極電阻來減少電容Cgs電壓振蕩，確保Mos管正常導(dǎo)通和關(guān)閉。設(shè)計(jì)并制作了電動(dòng)車輪轂電機(jī)的低壓Mosfet驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并做了相關(guān)的測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：合適的平臺(tái)電壓時(shí)間降低了圖騰柱驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)涞蛪篗os管的發(fā)熱損耗，開關(guān)管關(guān)斷時(shí)候的di/dt明顯降低，電路的整體效率得到提高。

關(guān)鍵詞：Mosfet平臺(tái)電壓時(shí)間;圖騰柱驅(qū)動(dòng)電路;RLC串聯(lián)諧振電路;Mos管柵極電阻

0 ?引言

Mos管分為低壓Mos管和高壓Mos管。低壓Mos管內(nèi)部是由許多小Mos管并聯(lián)而成的，導(dǎo)致Cgs電容大，Rds（ON）比較小;高壓Mos管內(nèi)部是由許多小Mos管串聯(lián)而成的，導(dǎo)致Cgs電容小，Rds（ON）比較大。因此，在功率一定的情況下，低壓Mos管允許通過的電流大，高壓Mos管允許通過的電流小[1]。

本文基于Mos管前級(jí)的圖騰柱驅(qū)動(dòng)電路，采用改變柵極電阻和RLC串聯(lián)諧振電路模型，在保證整個(gè)圖騰柱驅(qū)動(dòng)電路穩(wěn)定工作的前提下，消除低壓Mos管振蕩，降低Mos管發(fā)熱損耗，降低關(guān)斷過程中由于di/dt導(dǎo)致的EMI影響，同時(shí)提高了整個(gè)電路的效率。

1 ?;低壓Mosfet圖騰柱驅(qū)動(dòng)電路工作原理與RLC串聯(lián)諧振模型

Mosfet的導(dǎo)通和關(guān)閉過程，可以簡單的理解為驅(qū)動(dòng)源對(duì)Mosfet的輸入電容Ciss（主要是柵源極電容Cgs）的充放電過程，驅(qū)動(dòng)電路一般采用圖騰柱電路。

1.1 低壓Mosfet圖騰柱驅(qū)動(dòng)電路的工作原理

Mosfet管導(dǎo)通和關(guān)閉過程中，驅(qū)動(dòng)電壓波形、Cgs電容的電壓波形、DS兩端的電壓波形及Id電流波形如圖1所示。

1.2 RLC串聯(lián)諧振模型

Mosfet在導(dǎo)通和關(guān)斷過程中，如果在平臺(tái)電壓區(qū)域內(nèi)Cgs電容發(fā)生了振蕩，就極易燒壞Mosfet。因此，研究Cgs電容的充電和放電就顯得極為關(guān)鍵。用示波器各點(diǎn)波形時(shí)發(fā)現(xiàn)，在芯片輸出端是非常好的方波輸出，但一旦測量Mos管GS波形時(shí)就有振蕩，當(dāng)振蕩小時(shí)還能勉強(qiáng)過關(guān)，但當(dāng)振蕩特別大時(shí)發(fā)現(xiàn)Mos管發(fā)熱特別嚴(yán)重，甚至炸掉。

為盡量減少Cgs電容的振蕩，特引入RLC串聯(lián)諧振模型。R是柵極電阻，L是PCB Layout時(shí)走線上的寄生電感，C是Mos管GS兩端的電容。其中L和C不消耗功率，電阻R起阻尼作用。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]的推導(dǎo)，電阻R值決定了C兩端會(huì)不會(huì)振蕩。當(dāng)R>2（L/C）^0.5時(shí)，整個(gè)模型處于過阻尼狀態(tài)，基本不會(huì)發(fā)生振蕩的。因此，為了盡量消除Mosfet在導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)的振蕩，需要做到3點(diǎn)：①適當(dāng)增大柵極電阻，使R≥2（L/C）^0.5，來消除振蕩;②在PCB板布局布線時(shí)減小走線上的寄生電感L;③在Mosfet管的GS兩端并聯(lián)一個(gè)103或104的小電容，間接增大C的容值。

2 ?低壓Mosfet圖騰柱驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

圖騰柱驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)，Mosfet損耗一直是設(shè)計(jì)中需要著重考慮的問題。由圖1可知，低壓Mosfet在t1～t8時(shí)間段都有損耗，其中t2～t3開通階段、t6～t7關(guān)斷階段所占比例最大。在低壓大電流的系統(tǒng)中，開關(guān)損耗所占比例為80%～90%。

t2～t3開通階段，此時(shí)損耗量W1如式（1）所示：

W1=Idmax×Vds（t）×（t3-t2）（1）

（t3-t2）是Mosfet平臺(tái)電壓時(shí)間，Idmax由負(fù)載決定，Vds（t）也不變，要想減小損耗量W1，只有減小Mosfet平臺(tái)電壓時(shí)間。因此邏輯關(guān)系是：降低Mosfet開關(guān)損耗→壓縮平臺(tái)電壓時(shí)間→增大Igs電流→減小柵極電阻（或提高柵極驅(qū)動(dòng)電壓）。

可以適當(dāng)提高柵極驅(qū)動(dòng)電壓，但不能超過極限電壓

+20V，本文實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的驅(qū)動(dòng)電壓取+15V;減小柵極電阻R可以壓縮米勒平臺(tái)寬度來直接降低Mosfet開關(guān)損耗，但依據(jù)Mosfet的RLC串聯(lián)諧振模型，一味地減小柵極電阻R會(huì)使Mos管開通時(shí)Cgs電容發(fā)生振蕩。

在低壓大電流系統(tǒng)中，開通可以快一點(diǎn)，但要重點(diǎn)考慮Mos管的關(guān)斷，要讓關(guān)斷適當(dāng)慢一些。當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)電壓確定為+15V的情況下，依據(jù)文獻(xiàn)[3]，柵極電阻取值范圍在10Ω～100Ω，Mosfet的平臺(tái)電壓時(shí)間設(shè)置在90ns～300ns。

在低壓大電流系統(tǒng)中，綜合考慮Mosfet管關(guān)斷、Cgs電容振蕩、Mosfet管的發(fā)熱和EMC電磁兼容性等4個(gè)因素[4]，設(shè)計(jì)出低壓Mosfet圖騰柱驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

3 ?電動(dòng)車輪轂電機(jī)的低壓Mosfet驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)

研究

以電動(dòng)車輪轂電機(jī)為載體[5]，根據(jù)低壓Mosfet驅(qū)動(dòng)電路搭建實(shí)物如圖3所示。

在電路實(shí)驗(yàn)板上測試Mos管GS和DS兩端的電壓波形，當(dāng)柵極電阻為300R時(shí)，Mosfet開通時(shí)平臺(tái)電壓時(shí)間是1us（16.65-15.65），Mosfet關(guān)斷時(shí)的平臺(tái)電壓時(shí)間為1.56us（10.6-9.04）。

實(shí)時(shí)測試柵極電阻等于4R7、10R、20R、33R、47R、51R、100R情況下的平臺(tái)電壓時(shí)間值，以及Cgs是否發(fā)生明顯振蕩，如表1所示：

由表1可知，要想Cgs電容不發(fā)生明顯振蕩，且平臺(tái)電壓時(shí)間在90ns～300ns之間，柵極電阻取值應(yīng)在20R～100R之間。

4 ?結(jié)論

①在低壓大電流系統(tǒng)中，Mosfet在關(guān)斷時(shí)一定要慢一些，可以開通快;

②在低壓大電流系統(tǒng)中，Mosfet平臺(tái)電壓時(shí)間設(shè)置在90ns～300ns，柵極電阻取值范圍在10Ω～100Ω;

③壓縮Mosfet平臺(tái)電壓時(shí)間可以降低開關(guān)損耗，適當(dāng)增大柵極電阻可以減小Cgs電容振蕩;

④在Mosfet管的GS兩端并聯(lián)一個(gè)103或104的小電容可以有效降低電容振蕩，減小電磁兼容。

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作者簡介：錢亮（1989-），男，四川廣安人，碩士，助教，研究方向?yàn)殡娫醇夹g(shù)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。