MOS管柵極驅動振蕩現象原因及解決方法-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2021-04-20
功率MOSFET以其開關速度快、驅動功率小和功耗低等優(yōu)點在中小容量的變流器中得到了廣泛的應用。
當采用功率MOSFET橋式拓撲結構時，同一橋臂上的兩個功率器件在轉換過程中，柵極驅動信號會產生振蕩，此時功率器件的損耗較大。當振蕩幅值較高時，將使功率器件導通，從而造成功率開關管直通而損壞。
目前常用的解決方法是在MOSFET關斷時在柵極施加反壓，以削弱振蕩的影響，但反壓電路卻占用空間，同時增加了成本。
本文在深入分析了MOSFET柵極振蕩產生機理基礎上，設計了硬件驅動電路。理論分析和實驗結果表明，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。
由功率MOSFET的等效電路可知，3個極間均存在結電容，柵極輸入端相當于一個容性網絡，驅動電路存在著分布電感和驅動電阻，此時的橋式逆變電路如圖1所示。
以上管開通過程為例，當下管V2已經完全關斷時，柵源極同電位。在上管開通過程中，設上管開通時間為ton，直流母線電壓為E，由于開通過程時間很短，其漏源極電壓迅速由直流母線電壓下降到近似零，相當于在下管V2漏源極間突加一個電壓E，形成很高的dv/dt。
該dv/dt的數值與上管V1的開通速度有關，可近似認為
圖1 半橋式拓撲的等效電路
此時雖然下管已經完全關斷，但是該dv/dt因結電容Cgd2的存在而對柵源極狀態(tài)產生影響。
由上式可知，當上管開通時會在下管柵極產生阻尼衰減振蕩信號，如圖2所示。同理，當上管關斷、下管開通時，上管柵極也同樣會產生振蕩，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處于高頻開關狀態(tài)，產生很大的開關損耗。
更嚴重的是若振蕩的幅值達到MOSFET的門檻電壓，下管將開通，而上管正處于導通狀態(tài)，此時將造成上下功率管的直通現象，造成MOSFET的損壞。以上現象可以通過調整驅動電路參數加以抑制。
圖2 柵極振蕩干擾實測波形
驅動電路的改進減小分布電感若取極限情況，驅動電路的分布電感為零，則驅動信號由式(3)簡化為如下形式
式中，S=Rg2Cgs2。
由上式可知此時振蕩已經變?yōu)橹笖邓p形式，在t=0時為最大值
由上述分析可知，分布電感主要影響驅動信號振蕩的暫態(tài)表現形式，若盡量減小分布電感，可使驅動信號由阻尼振蕩變?yōu)橹笖邓p，即可消除MOSFET的高頻開關損耗。同時亦可一定程度上降低振蕩幅值。
因此在設計電路時應該盡量使驅動芯片靠近MOSFET，并減小閉合回路所圍的面積。如用導線連接應該使用雙絞線或使用同軸電纜，以盡量減小分布電感。
開通和關斷時間的配合與調整由式(5)和式(8)可知，MOSFET的開通時間是影響驅動信號振蕩幅值的主要因素，呈反比例關系。
若適當增大器件的開通時間，即可在很大程度上減小振蕩幅值，因此考慮在驅動芯片與MOSFET柵極間加設緩沖電路，即人為串接驅動電阻，在MOSFET柵源極間并聯電容以延長柵極電容的充電時間，降低電壓變化率。
而MOSFET的關斷時間與開通時間存在著一定的矛盾，若單純增大開通時間，必然也增大了關斷時間，而從減小死區(qū)時間角度，希望關斷時間短一些，因此考慮調整MOSFET的開通和關斷時間；
在驅動電阻上反并聯快恢復二極管，改變MOSFET開通和關斷的時間常數，在開通時為減小dv/dt的應力，增加柵極的充電時間，而關斷時間應短一些，以使用較短的死區(qū)時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，可以實現在增大開通時間，減小電壓變化率的同時，保證了較短的關斷時間。
圖3 改進后驅動電路
理論上，開通時間越長dv/dt應力越小，振蕩產生的干擾效果就越不顯著，但是由MOSFET開關損耗近似公式
式中：f為MOSFET的工作頻率。
由于MOSFET通常工作在幾十kHz的開關狀態(tài)，其充放電電流由柵源極電容和驅動電壓決定，若驅動電阻選的很大，使得電路損耗過大，不利于驅動電路的安全運行，因此要綜合考慮電阻、電容的取值。
一般驅動電阻的阻值為幾十8，柵源極并聯電容的取值以式(10)為參考。
其它措施考慮到驅動信號振蕩主要出現在橋臂一側MOSFET的關斷階段，即柵源極為零電位時，由PNP三極管的工作原理，在驅動芯片與驅動電阻之間外接PNP三極管，當驅動芯片提供高電平時，三極管不導通，對電路邏輯不造成影響。
在驅動芯片提供低電平過程中，當未產生振蕩時，三極管基極與集電極電位均近似為零，三極管不工作；當MOSFET柵源極產生振蕩時，三極管集電極電位為正，將飽和導通，振蕩電壓經反并聯二極管和三極管迅速泄放，避免了MOSFET誤導通。
同時在柵源極間并聯穩(wěn)壓管，進一步限制柵源極過壓。最終改進后驅動電路如圖3所示。
圖4是工作頻率f為40kHz，MOSFET未加緩沖電路的柵極驅動信號實測波形，此時驅動芯片直接與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。
實際測得驅動電路分布電感L為135nH，驅動電阻近似為零，從圖4中可以看出，改進前振蕩的幅值很大，導致MOSFET發(fā)熱嚴重，直至過熱損壞，逆變器根本無法正常工作。
驅動電路改進后，實際測得分布電感L為23.5nH，驅動電阻Rg取為30Ω，并聯電容C取為0.01μF。實測柵極驅動波形如圖5所示，可以看出改進后的電路很好地解決了柵極驅動信號的振蕩問題。
圖4 改進前驅動信號波形
圖5 改進后驅動信號波形
橋式拓撲結構功率MOSFET在開關轉換過程中發(fā)生的直通現象是由于結電容、驅動電路的分布電感以及開關時產生較高的dv/dt在柵極產生振蕩造成的。
在分析了柵極驅動信號的振蕩機理后，進行了驅動電路的優(yōu)化設計，在柵源極增加了緩沖電路。
與外加負壓電路以及有源驅動電路相比，該電路具有實現簡單、安全可靠的特點。采用該驅動電路實現的鎮(zhèn)流器，長期運行并未發(fā)生過熱和損壞MOSFET的現象。
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