对于电机驱动来说,MOSFET是实现电流输出的关键器件,MOS驱动电路作为控制电路和功率电路的接口,其作用至关重要,它决定了这个电机驱动板卡的性能,本文就将详细探讨MOSFET驱动电路中驱动电阻的选型。
驱动电阻Rg的计算
1、驱动电阻的下限值
驱动电阻下限值的计算原则为:驱动电阻必须在驱动回路中提供足够的阻尼,来阻尼MOSFET开通瞬间驱动电流的震荡。
图2 MOSFET开通时的驱动电流
当MOSFET开通瞬间,Vcc通过驱动电阻给Cgs充电,如图2所示(忽略Rpd的影响)。根据图2,可以写出回路在s域内对应的方程:
式(4)给出了驱动电阻Rg的下限值,式(4)中Cgs为MOSFET管gs的寄生电容,其值可以在MOSFET对应的datasheet中查到。
而Lk是驱动回路的感抗,一般包含MOSFET引脚的感抗,PCB走线的感抗,驱动芯片引脚的感抗等,其精确的数值往往难以确定,但数量级一般在几十nH左右。
因此在实际设计时,一般先根据式(4)计算出Rg下限值的一个大概范围,然后再通过实际实验,以驱动电流不发生震荡作为临界条件,得出Rg下限值。
2、驱动电阻的上限值
驱动电阻上限值的计算原则为:防止MOSFET关断时产生很大的dV/dt使得MOSFET再次误开通。
当MOSFET关断时,其DS之间的电压从0上升到Vds(off),因此有很大的dV/dt,根据公式:i=CdV/dt,该dV/dt会在Cgd上产生较大的电流igd,如图3所示。
图3 MOSFET关断时的对应电流
该电流igd会流过驱动电阻Rg,在MOSFETGS之间又引入一个电压,当该电压高于MOSFET的门槛电压Vth时,MOSFET会误开通,为了防止MOSFET误开通,应当满足:
式(6)给出了驱动电阻Rg的上限值,式(6)中Cgd为MOSFET栅源级的寄生电容,Vth为MOSFET的开启电压,均可以在对应的datasheet中查到,dV/dt则可以根据电路实际工作时MOSFET的漏源级电压和MOSFET关断时漏源级电压上升时间(该时间一般在datasheet中也能查到)求得。
从上面的分析可以看到,在MOSFET关断时,为了防止误开通,应当尽量减小关断时驱动回路的阻抗。基于这一思想,下面再给出两种很常用的改进型电路,可以有效地避免关断时mos的误开通问题。
图4 改进电路1
图4给出的改进电路1是在驱动电阻上反并联了一个二极管,当MOSFET关断时,关断电流就会流经二极管Doff,这样MOSFET栅源级的电压就为二极管的导通压降,一般为0.7V,远小于MOSFET的门槛电压(一般为2.5V以上),有效地避免了MOSFET的误开通。
图5 改进电路2
图5给出的改进电路2是在驱动电路上加入了一个开通二极管Don和关断三级管Qoff。当mos关断时,Qoff打开,关断电流就会流经该三极管Qoff,这样MOSFET栅源极的电压就被钳位至地电平附近,从而有效地避免了MOSFET的误开通。
总结
根据以上的分析,就可以求得MOSFET驱动电阻的上限值和下限值,一般来说,MOSFET驱动电阻的取值范围在5~100欧姆之间,那么在这个范围内如何进一步优化阻值的选取呢?
这就要从损耗方面来考虑,当驱动电阻阻值越大时,MOSFET开通关断时间越长(如图6所示),在开关时刻电压电流交叠时间久越大,造成的开关损耗就越大。所以在保证驱动电阻能提供足够的阻尼,防止驱动电流震荡的前提下,驱动电阻应该越小越好。
图6 MOSFET开关时间随驱动电阻的变化
比如通过式(4)和式(6)的计算得到驱动电阻的下限为5欧姆,上限为100欧姆。那么考虑一定的裕量,取驱动电阻为10欧姆时合适的,而将驱动电阻取得太大(比如50欧姆以上),从损耗的角度来讲,肯定是不合适的。
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