电动自行车控制器MOSFET驱动电路的设计

电动自行车具有环保节能，价格合适，无噪声，便利等特点，因此，电动自行车成为当今社会人们主要的代步工具。与此同时，消费者和商家对整车的质量及可靠性要求也越来越高。作为整车四大件之一的控制器的可靠性显得尤为重要。功率MOSFET以及相关的驱动电路的设计直接与控制器的可靠性紧密相关，尤其是在续流侧，MOSFET的驱动电路设计不当，续流侧 MOSFET很容易损坏，因此本文就如何测量、分析与调整控制器的MOSFET驱动线路来提高MOSFET的可靠性作一些研究，以便能够为设计人员在设计产品时作一些参考。

1 MOSFET开关过程及MOSFET参数模型

1.1 MOSFET开通过程

MOSFET开通过程中的波形见图1所示，其开通的过程可分为四个阶段：

阶段A、t0¬—t1：门极电压Vgs由0V逐渐上升至Vth，在此期间内MOSFET关闭，Vds不变，Id=0A。
阶段B、t1—t2：门极电压Vgs由Vth上升至平台电压Vp，门极电压为Cgs充电。在此期间内MOSFET开始导通并进入饱和状态，Vds基本保持不变，Id由0上升至Id（max）。
阶段C、t2—t3：门极电压Vgs保持不变，门极电压为Cgd充电。在此期间内MOSFET仍处于饱和状态，Vds迅速下降，Id保持不变。
阶段D、t3—t4：门极电压Vgs由Vp继续上升，在此期间内MOSFET退出饱和状态进入完全导通状态。
MOSFET关断时波形与开通时相反，在此不再叙述。

1.2 MOSFET寄生参数

MOSFET寄生参数模型如图2所示。由于MOSFET的结构、引线和封装的影响，在MOSFET制作完成后，其各引脚间存在PN结寄生电容和寄生电感，引脚上存在引线电感。由于源极的引线较长，Ls一般要比Ld大。

因此，我们在实际的开关应用中应特别注意寄生电容和引线电感对开关波形的影响，特别是在负载为电感性负载时更应注意。MOSFET的输入电容、反向传输电容和输出电容分别表示如下：
Ciss=Cgs+Cgd
Crss=Cgd
Coss=Cgd+Cds

2 两种常见的MOSFET驱动电路

2.1由分立器件组成的驱动电路

由分立器件组成的驱动电路（（如图3所示），驱动电路工作原理如下：
A．当HS为高电平时，Q7、Q4导通，Q6关闭，电容C4上的电压（约14V）经过Q4、D3、R6加到Q5的栅极，使Q5导通。在导通期间，Q5的源极电压（Phase）接近电源电压Vdc，所以电容两端的电压随着Phase电压一起浮动，电容C4亦称为自举电容。Q5靠C4两端的电压来维持导通。
B. 当HS为低电平时，Q7、Q4关闭，Q6导通，为Q5的栅极提供放电回路，从而使Q5很快关闭。当Q5关闭后，由于下管的开通或负载的作用，使得Phase电压下降接近0V，从而使C4经过+15V→D2→C4→GND回路充电，为下一次导通做好准备。
C. 当LS为低电平时，Q8、Q11导通，Q10关闭，驱动电路通过R11为下管Q9的栅极充电，使Q9导通。
D. 当LS为高电平时，Q8、Q11关闭，Q10导通，为Q9的栅极提供放电回路,使Q9关断。
E. 当HS和LS同时为高电平时，上管开通下管关闭。当HS和LS同时为低电平时，上管关闭下管开通。在实际应用中，为了避免上下管同时开通，HS和LS的逻辑要靠MCU或逻辑电路来保证。

2.2 半桥驱动芯片组成的驱动电路

半桥驱动芯片组成的驱动电路如图4所示，工作原理如下：
A．当HS和LS同时为高电平时，HO有驱动电压输出，使Q1开通。当HS和LS同时为低电平时，LO有驱动电压输出，使Q2开通。
B．电容C2与分立器件驱动电路里的C4作用相同，同样为自举电容。
C．电容C1为去藕电容，为抑制功率MOSFET开关时对驱动电路浮动电源部分的干扰，一般应加上此电容。
 

电动自行车具有环保节能，价格合适，无噪声，便利等特点，因此，电动自行车成为当今社会人们主要的代步工具。与此同时，消费者和商家对整车的质量及可靠性要求也越来越高。作为整车四大件之一的控制器的可靠性显得尤为重要。功率MOSFET以及相关的驱动电路的设计直接与控制器的可靠性紧密相关，尤其是在续流侧，MOSFET的驱动电路设计不当，续流侧 MOSFET很容易损坏，因此本文就如何测量、分析与调整控制器的MOSFET驱动线路来提高MOSFET的可靠性作一些研究，以便能够为设计人员在设计产品时作一些参考。

1 MOSFET开关过程及MOSFET参数模型

1.1 MOSFET开通过程

MOSFET开通过程中的波形见图1所示，其开通的过程可分为四个阶段：

阶段A、t0¬—t1：门极电压Vgs由0V逐渐上升至Vth，在此期间内MOSFET关闭，Vds不变，Id=0A。
阶段B、t1—t2：门极电压Vgs由Vth上升至平台电压Vp，门极电压为Cgs充电。在此期间内MOSFET开始导通并进入饱和状态，Vds基本保持不变，Id由0上升至Id（max）。
阶段C、t2—t3：门极电压Vgs保持不变，门极电压为Cgd充电。在此期间内MOSFET仍处于饱和状态，Vds迅速下降，Id保持不变。
阶段D、t3—t4：门极电压Vgs由Vp继续上升，在此期间内MOSFET退出饱和状态进入完全导通状态。
MOSFET关断时波形与开通时相反，在此不再叙述。