MOS管驱动电路设计及其中电阻的作用

MOS管驱动电路要求
为了能够充分精确地导通和关断MOS管,设计一种可靠稳定的驱动及保护电路是必要的。一般来说,MOS管的驱动电路需要满足以下要求:

① 开关管的开通过程,驱动电流能够提供较大的充电电流,尽量减少米勒电容的充电时间,从而保证栅源极间电压迅速上升并达到所需的开通电压,保证开关管能够快速开通,并在上升沿无高频振荡;

② 导通后,源栅极间电压保持稳定,并保证开关管的稳定可靠导通

③ 驱动电路简单,稳定可靠;

④ 对于SiC-Mosfet在关断时应当提供负压从而保证开关管的可靠关断,并且整个驱动电路应当具有较低的等效阻抗,从而保证开关管的快速关断放电。

(1) 驱动电压选择

根据数据手册查询得到使用的MOS管的驱动电压范围
在这里插入图片描述

另外,由于在MOSFET的栅极和漏极之间存在Miller电容,电压的过度变化会通过米勒电容产生较大的位移电流,当位移电流达到一定值时,会使通过驱动电阻产生的电压高于用于MOSFET的开启阈值电压,这将导致MOSFET被误导通,从而可能导致同一个桥臂的两个MOSFET之间的直通短路。

(2) 栅极驱动电阻选择
栅极和源极之间存在寄生电感会导致栅极电压会出现振荡,需要设置栅极驱动电阻来抑制栅极电压的振荡。

驱动电阻越小驱动电流越大,大电流会加快MOSFET的开断时间,有利于减小开关损耗。

然而,这样会导致关断过程中漏极电流的下降速率加快,继而在主回路的杂散电感上产生较大的关断电压过冲,如果漏极关断电压过冲大于MOSFET的额定电压值,这样有可能会导致MOSFET击穿损坏。

因此选择合适的栅极电阻,既可以保证开通关断期间响应速度,同时不会使栅极驱动电压发生振荡。

通常采用下式选取驱动电阻:
在这里插入图片描述

其中,tr为上升时间,Ciss为输入电容。

(3)驱动电流计算
栅极驱动电流的大小决定驱动电路的驱动能力,需要适当取值。单个MOS管所需平均驱动电流估算式为:
在这里插入图片描述

其中,Ig为平均驱动电流,Qg为门级电荷,td(on)为开通延时,tr为上升时间。
(4)驱动方案
由于SiC-MOSfet的器件特性,要求关断时栅源极的电压为负值。在不使用专用SiC-MOSfet驱动芯片的前提下,可以将MOS管的源极处电压设置为+5V,栅极电压随PWM信号变化在+23V~-5V范围内改变。当驱动信号为正时,栅源极电压差为18V ,MOS管导通;当驱动信号为负时,Vgs=-5V ,MOS管关闭。

MOS管驱动电路中电阻的作用
以下图为例:
在这里插入图片描述
Rg1的作用:

限流,控制开关响应速度,同时防止寄生电感引起的驱动电压振荡,烧坏MOS管

Rg2的作用:

在MOS管关断过程中与二极管D1形成快速放电通路,同时限制放电电流

R1的作用:

MOS管开通过程中产生稳定的级间电压,保证稳定导通

更成熟的驱动方案:

在这里插入图片描述用三极管来泄放栅源极间电容电压是比较常见的。如果Q1的发射极没有电阻,当PNP三极管导通时,栅源极间电容短接,达到最短时间内把电荷放完,最大限度减小关断时的交叉损耗。
还有一个好处,就是栅源极间电容上的电荷泄放时电流不经过电源IC,提高了可靠性

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