MOS管柵極驅(qū)動(dòng)振蕩現(xiàn)象原因及解決方法-KIA MOS管

MOS管柵極驅(qū)動(dòng)振蕩

功率MOSFET以其開關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)功率小和功耗低等優(yōu)點(diǎn)在中小容量的變流器中得到了廣泛的應(yīng)用。

當(dāng)采用功率MOSFET橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，同一橋臂上的兩個(gè)功率器件在轉(zhuǎn)換過程中，柵極驅(qū)動(dòng)信號會(huì)產(chǎn)生振蕩，此時(shí)功率器件的損耗較大。當(dāng)振蕩幅值較高時(shí)，將使功率器件導(dǎo)通，從而造成功率開關(guān)管直通而損壞。

目前常用的解決方法是在MOSFET關(guān)斷時(shí)在柵極施加反壓，以削弱振蕩的影響，但反壓電路卻占用空間，同時(shí)增加了成本。

本文在深入分析了MOSFET柵極振蕩產(chǎn)生機(jī)理基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了硬件驅(qū)動(dòng)電路。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文所提出的方法，只需增加較少的器件就能夠最大程度地抑制振蕩。

柵極驅(qū)動(dòng)信號振蕩的產(chǎn)生機(jī)理

由功率MOSFET的等效電路可知，3個(gè)極間均存在結(jié)電容，柵極輸入端相當(dāng)于一個(gè)容性網(wǎng)絡(luò)，驅(qū)動(dòng)電路存在著分布電感和驅(qū)動(dòng)電阻，此時(shí)的橋式逆變電路如圖1所示。

以上管開通過程為例，當(dāng)下管V2已經(jīng)完全關(guān)斷時(shí)，柵源極同電位。在上管開通過程中，設(shè)上管開通時(shí)間為ton，直流母線電壓為E，由于開通過程時(shí)間很短，其漏源極電壓迅速由直流母線電壓下降到近似零，相當(dāng)于在下管V2漏源極間突加一個(gè)電壓E，形成很高的dv/dt。

該dv/dt的數(shù)值與上管V1的開通速度有關(guān)，可近似認(rèn)為

圖1　半橋式拓?fù)涞牡刃щ娐?/span>

此時(shí)雖然下管已經(jīng)完全關(guān)斷，但是該dv/dt因結(jié)電容Cgd2的存在而對柵源極狀態(tài)產(chǎn)生影響。

由上式可知，當(dāng)上管開通時(shí)會(huì)在下管柵極產(chǎn)生阻尼衰減振蕩信號，如圖2所示。同理，當(dāng)上管關(guān)斷、下管開通時(shí)，上管柵極也同樣會(huì)產(chǎn)生振蕩，只是相位與前者相反，其幅值可以表示為

由于振蕩頻率很高，使MOSFET處于高頻開關(guān)狀態(tài)，產(chǎn)生很大的開關(guān)損耗。

更嚴(yán)重的是若振蕩的幅值達(dá)到MOSFET的門檻電壓，下管將開通，而上管正處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)將造成上下功率管的直通現(xiàn)象，造成MOSFET的損壞。以上現(xiàn)象可以通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)加以抑制。

圖2　柵極振蕩干擾實(shí)測波形

驅(qū)動(dòng)電路的改進(jìn)減小分布電感若取極限情況，驅(qū)動(dòng)電路的分布電感為零，則驅(qū)動(dòng)信號由式(3)簡化為如下形式

式中，S=Rg2Cgs2。

由上式可知此時(shí)振蕩已經(jīng)變?yōu)橹笖?shù)衰減形式，在t=0時(shí)為最大值

由上述分析可知，分布電感主要影響驅(qū)動(dòng)信號振蕩的暫態(tài)表現(xiàn)形式，若盡量減小分布電感，可使驅(qū)動(dòng)信號由阻尼振蕩變?yōu)橹笖?shù)衰減，即可消除MOSFET的高頻開關(guān)損耗。同時(shí)亦可一定程度上降低振蕩幅值。

因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)該盡量使驅(qū)動(dòng)芯片靠近MOSFET，并減小閉合回路所圍的面積。如用導(dǎo)線連接應(yīng)該使用雙絞線或使用同軸電纜，以盡量減小分布電感。

開通和關(guān)斷時(shí)間的配合與調(diào)整由式(5)和式(8)可知，MOSFET的開通時(shí)間是影響驅(qū)動(dòng)信號振蕩幅值的主要因素，呈反比例關(guān)系。

若適當(dāng)增大器件的開通時(shí)間，即可在很大程度上減小振蕩幅值，因此考慮在驅(qū)動(dòng)芯片與MOSFET柵極間加設(shè)緩沖電路，即人為串接驅(qū)動(dòng)電阻，在MOSFET柵源極間并聯(lián)電容以延長柵極電容的充電時(shí)間，降低電壓變化率。

而MOSFET的關(guān)斷時(shí)間與開通時(shí)間存在著一定的矛盾，若單純增大開通時(shí)間，必然也增大了關(guān)斷時(shí)間，而從減小死區(qū)時(shí)間角度，希望關(guān)斷時(shí)間短一些，因此考慮調(diào)整MOSFET的開通和關(guān)斷時(shí)間；

在驅(qū)動(dòng)電阻上反并聯(lián)快恢復(fù)二極管，改變MOSFET開通和關(guān)斷的時(shí)間常數(shù)，在開通時(shí)為減小dv/dt的應(yīng)力，增加?xùn)艠O的充電時(shí)間，而關(guān)斷時(shí)間應(yīng)短一些，以使用較短的死區(qū)時(shí)間減小輸出波形的諧波含量，電路如圖3所示。

通過以上措施，可以實(shí)現(xiàn)在增大開通時(shí)間，減小電壓變化率的同時(shí)，保證了較短的關(guān)斷時(shí)間。

圖3　改進(jìn)后驅(qū)動(dòng)電路

理論上，開通時(shí)間越長dv/dt應(yīng)力越小，振蕩產(chǎn)生的干擾效果就越不顯著，但是由MOSFET開關(guān)損耗近似公式

式中：f為MOSFET的工作頻率。

由于MOSFET通常工作在幾十kHz的開關(guān)狀態(tài)，其充放電電流由柵源極電容和驅(qū)動(dòng)電壓決定，若驅(qū)動(dòng)電阻選的很大，使得電路損耗過大，不利于驅(qū)動(dòng)電路的安全運(yùn)行，因此要綜合考慮電阻、電容的取值。

一般驅(qū)動(dòng)電阻的阻值為幾十8，柵源極并聯(lián)電容的取值以式(10)為參考。

其它措施考慮到驅(qū)動(dòng)信號振蕩主要出現(xiàn)在橋臂一側(cè)MOSFET的關(guān)斷階段，即柵源極為零電位時(shí)，由PNP三極管的工作原理，在驅(qū)動(dòng)芯片與驅(qū)動(dòng)電阻之間外接PNP三極管，當(dāng)驅(qū)動(dòng)芯片提供高電平時(shí)，三極管不導(dǎo)通，對電路邏輯不造成影響。

在驅(qū)動(dòng)芯片提供低電平過程中，當(dāng)未產(chǎn)生振蕩時(shí)，三極管基極與集電極電位均近似為零，三極管不工作；當(dāng)MOSFET柵源極產(chǎn)生振蕩時(shí)，三極管集電極電位為正，將飽和導(dǎo)通，振蕩電壓經(jīng)反并聯(lián)二極管和三極管迅速泄放，避免了MOSFET誤導(dǎo)通。

同時(shí)在柵源極間并聯(lián)穩(wěn)壓管，進(jìn)一步限制柵源極過壓。最終改進(jìn)后驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖4是工作頻率f為40kHz，MOSFET未加緩沖電路的柵極驅(qū)動(dòng)信號實(shí)測波形，此時(shí)驅(qū)動(dòng)芯片直接與MOSFET的柵極相連，由于沒有考慮分布電感的作用，芯片與MOSFET擺放位置相對較遠(yuǎn)。

實(shí)際測得驅(qū)動(dòng)電路分布電感L為135nH，驅(qū)動(dòng)電阻近似為零，從圖4中可以看出，改進(jìn)前振蕩的幅值很大，導(dǎo)致MOSFET發(fā)熱嚴(yán)重，直至過熱損壞，逆變器根本無法正常工作。

驅(qū)動(dòng)電路改進(jìn)后，實(shí)際測得分布電感L為23.5nH，驅(qū)動(dòng)電阻Rg取為30Ω，并聯(lián)電容C取為0.01μF。實(shí)測柵極驅(qū)動(dòng)波形如圖5所示，可以看出改進(jìn)后的電路很好地解決了柵極驅(qū)動(dòng)信號的振蕩問題。

圖4　改進(jìn)前驅(qū)動(dòng)信號波形

圖5　改進(jìn)后驅(qū)動(dòng)信號波形

結(jié)論

橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)功率MOSFET在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生的直通現(xiàn)象是由于結(jié)電容、驅(qū)動(dòng)電路的分布電感以及開關(guān)時(shí)產(chǎn)生較高的dv/dt在柵極產(chǎn)生振蕩造成的。

在分析了柵極驅(qū)動(dòng)信號的振蕩機(jī)理后，進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在柵源極增加了緩沖電路。

與外加負(fù)壓電路以及有源驅(qū)動(dòng)電路相比，該電路具有實(shí)現(xiàn)簡單、安全可靠的特點(diǎn)。采用該驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)的鎮(zhèn)流器，長期運(yùn)行并未發(fā)生過熱和損壞MOSFET的現(xiàn)象。

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