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(电源工程师)MOS管驱动电路综述

更新时间:2023-07-26 文章作者:佚名 信息来源:网络整理 阅读次数:

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MOS管驱动电路总结zcQ物理好资源网(原物理ok网)

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在使用MOS管设计开关电源或者电机驱动电路时,大多数人会考虑MOS的内阻、最大电流、最大电压等,而很多人只考虑那些激励因素。 这样的电路实际上可以工作,但它并不优秀,并且作为即将推出的产品设计是不允许的。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

1、MOS管类型及结构zcQ物理好资源网(原物理ok网)

该管是FET的一种(另一种是JFET),可以做成改进型或耗尽型,有P沟道或N沟道4种,但实际上只有改进型N沟道MOS管用过的。 以及改进的P沟道MOS晶体管,所以一般提到NMOS,或者PMOS就是指这两者。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

至于为何不使用耗尽的MOS管,不建议深究。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

对于这两种增强型MOS管来说,更常用的是NMOS。 原因是导通内阻小且易于制造。 因此,NMOS通常用于开关电源和电机驱动应用。 下面的介绍中,也是以NMOS为主。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

MOS管的三个引脚之间存在寄生电容,这不是我们需要的,而是制造工艺的限制造成的。 寄生电容的存在使得设计或选择驱动电路时变得比较麻烦,但没有办法防止,这将在上面详细描述。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

从MOS管原理图上可以看出,漏极和源极之间有一个寄生晶闸管。 这称为大容量晶闸管,这种三极管在驱动感性负载(例如电机)时非常重要。 顺便说一句,体晶闸管只存在于单个MOS晶体管中,一般不存在于集成电路芯片中。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

2、MOS管导通特性zcQ物理好资源网(原物理ok网)

导通就是起到开关的作用,相当于开关闭合。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

NMOS的特性,Vgs小于一定值就会导通,适合源极接地的情况(高端驱动),只要载流子电流达到4V或10V。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

PMOS的特性,Vgs大于一定值就会导通,适合源极接VCC的情况(高端驱动)。 而且,虽然PMOS可以很容易地用作高端驱动器,但NMOS由于内阻大、价格高、替代类型少,一般用于低端驱动器。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

3、MOS开关管损耗zcQ物理好资源网(原物理ok网)

无论是NMOS还是PMOS,导通后都有一个导通内阻,所以电压会在这个内阻上消耗能量,这部分消耗的能量称为导通损耗。 选择导通内阻小的MOS管,会减少导通损耗。 现在的小功率MOS晶体管,导通内阻通常在几十毫欧左右,也有几毫欧的。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

MOS的导通和关断时,一定不能立即完成。 MOS两端的电流有一个增大的过程,流过的电压有一个上升的过程。 在此期间,MOS管的损耗是电流和电压的乘积,称为开关损耗。 一般情况下,开关损耗远大于导通损耗,但开关频率越快,损耗也越大。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

导通瞬间的电流和电压的乘积很大,由此产生的损耗也很大。 缩短切换时间可以减少每次导通时的损耗; 提高开关频率可以减少单位时间内的开关次数。 这两种方法都可以减少开关损耗。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

4.MOS管驱动zcQ物理好资源网(原物理ok网)

与双极型晶体管相比,一般认为MOS管导通不需要电压,只要GS电流低于一定值就可以了。 这很容易做到,而且我们还需要速度。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

电源电流过大有影响吗_电流源影响电压吗_电源电流会随着用电器改变吗zcQ物理好资源网(原物理ok网)

从MOS管的结构中可以看出,GS和GD之间存在寄生电容,MOS管的驱动实际上就是对电容进行充放电。 给电容充电需要电压,因为给电容充电的时候可以认为电容漏电,所以电压立刻就会比较大。 选择/设计MOS管驱动器时首先要注意的是能够提供的瞬时漏电压的大小。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

第二个需要注意的是,对于高端驱动器中常用的NMOS,其导通时的基频电流必须小于源电流。 低端驱动MOS管导通时源极电流和漏极电流(VCC)相同,因此此时载流子电流比VCC大4V或10V。 如果在同一个系统中,要获得大于VCC的电流,就需要专用的升压电路。 许多电机驱动器集成了电荷泵。 需要注意的是,要选择合适的外接电容,以获得足够的漏电压来驱动MOS管。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

上面提到的4V或10V是常用MOS管的导通电流,设计时实际需要留有一定的余量。 并且电流越大,导通速率越快,导通内阻越小。 现在也有导通电流更小的MOS用于不同领域,但在12V车载电子系统中,通常4V导通就足够了。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

MOS管的驱动电路及其损耗请参考该公司的。 描述的很详细了,我就不多写了。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

5、MOS管应用电路zcQ物理好资源网(原物理ok网)

MOS管最明显的特点是具有良好的开关特性,因此广泛应用于需要电子开关的电路中,如开关电源和电机驱动,以及照明调光等。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

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五种常用开关电源驱动电路分析zcQ物理好资源网(原物理ok网)

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在设计开关电源时,大多数人会考虑导通电阻、最大电流和最大电压。 但很多时候只考虑这种激励。 这样的电路可能可以正常工作,但它不是一个好的设计方案。 更详细地说,还应该考虑寄生参数本身。 对于某一器件来说,其驱动电路、驱动引脚输出的峰值电压、上升速度等也会影响开关性能。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

当功率IC和MOS管选型时,选择合适的驱动电路连接功率IC和MOS管就显得尤为重要。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

一个好的驱动电路有以下要求:zcQ物理好资源网(原物理ok网)

(1)当开关管导通时,驱动电路应能提供足够大的充电电压,使栅极和源极之间的电流迅速增大到所需值,以保证开关管能够导通开启速度快,上升沿无高频振荡。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

(2)在开关导通期间,驱动电路能够保证栅极和源极之间的电流保持稳定并可靠导通。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

(3)驱动电路能够为关断时栅极与源极之间电容电流的快速泄放提供一条阻抗尽可能低的通路,保证开关管能够快速关断。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

(4)驱动电路结构简单、可靠、损耗小。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

(五)视情况实行隔离。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

下面介绍几种模块电源中常用的驱动电路。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

1:电源IC直接驱动zcQ物理好资源网(原物理ok网)

图1 IC直接驱动zcQ物理好资源网(原物理ok网)

电源IC直接驱动是最常用的驱动形式,也是最简单的驱动形式。 在使用这些驱动形式时,需要注意几个参数以及这些参数的影响。 首先查看电源IC指南,最大驱动峰值电压,由于芯片不同,驱动能力往往不同。 其次,了解寄生电容电源电流过大有影响吗,如图1中的C1和C2的值。如果C1和C2的值比较大,那么MOS管导通所需的能量就会比较大。 如果电源IC没有比较大的驱动峰值电压,管子的导通速度就会比较慢。 如果驱动能力不足,上升沿可能会出现高频振荡。 虽然图1中的Rg减小了,但是问题并不能解决! IC驱动能力、MOS寄生电容、MOS管开关速度等因素都会影响驱动内阻电阻的选择,因此Rg不能无限增大。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

2:电源IC驱动能力不足时zcQ物理好资源网(原物理ok网)

如果MOS管寄生电容较大,电源IC内部驱动能力不足,则需要提高驱动电路的驱动能力。 常采用图腾柱电路来降低电源IC的驱动能力。 该电路如图2中的实线框所示。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

图2 图腾柱驱动MOSzcQ物理好资源网(原物理ok网)

这些驱动电路的作用是提高电压供给能力,快速完成基频输入电容充电的充电过程。 这些拓扑减少了开启和关闭所需的时间。 开关管可以快速导通,防止上升沿高频振荡。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

3:驱动电路加速MOS管的关断时间zcQ物理好资源网(原物理ok网)

图3 加速MOS关断zcQ物理好资源网(原物理ok网)

关断后的驱动电路可以为栅源间电容电流的快速泄放提供一条阻抗尽可能低的通路,从而保证开关管能够快速关断。 为了快速泄放栅极和源极之间的电容电流,常在驱动内阻上并联一个内阻和一个三极管,如图3所示,其中D1常用作快恢复晶闸管。 这减少了关断时间并减少了关断期间的损耗。 Rg2是为了防止关断时电压过高,烧毁电源IC。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

图4 改进的加速MOS关断zcQ物理好资源网(原物理ok网)

第二点介绍的图腾柱电路也有提前关机的作用。 当电源IC的驱动能力足够时电源电流过大有影响吗,改进图2电路,可以加快MOS管的关断时间,得到图4所示电路。 更常见的是使用二极管来释放栅极和源极之间的电容电流。 如果Q1的发射极没有内阻,当PNP二极管导通时,栅极和源极之间的电容被短路,以便在最短的时间内释放电荷,并最大限度地减少关断时的交越损耗。 与图3的拓扑相比,另一个优点是当栅源极之间的电容上的电荷放电时,栅源极之间的电容上的电压不会通过电源IC,从而提高了可靠性。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

4:驱动电路加速MOS管的关断时间zcQ物理好资源网(原物理ok网)

图5 隔离驱动器zcQ物理好资源网(原物理ok网)

为了满足如图5所示的高档MOS管的驱动,常采用变压器驱动,有时也采用变压器驱动来满足安全隔离。 R1的作用是抑制PCB和C1上的寄生电感产生的LC振荡。 C1的目的是分离直流并通过交流,同时避免磁芯饱和。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

5:源极输出高电流时驱动zcQ物理好资源网(原物理ok网)

当源输出为大电流时,我们需要使用偏置电路来达到电路工作的目的。 也就是说,我们使用源作为参考点来构建偏置电路。 驱动电流在两个电流之间波动,驱动电流误差由低电流供电决定,如右图6所示。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

图6 源极输出大电流时的驱动电路zcQ物理好资源网(原物理ok网)

除了上述的驱动电路之外,还有很多其他的驱动电路。 对于各种驱动电路来说,没有一种驱动电路是最好的,只能结合具体应用选择最合适的驱动器。zcQ物理好资源网(原物理ok网)

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