电动自行车控制器MOSFET驱动电路的设计

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。
 

2.3 两种驱动线路的区别

A．两种驱动电路在开通时能提供基本相同的驱动电流驱动MOSFET开通，但在MOSFET关断时，分立器件驱动电路因为有三极管放电，所以能提供更大的放电电流关闭MOSFET，而半桥驱动电路由于要经过栅极电阻放电，所以放电电流相对较小，导致MOSFET关闭时间过长，开关损耗相应增加。解决的办法可以是在驱动电阻上反并联一只二极管并增加一个放电的PNP三极管。
B．分立器件驱动电路用的器件较多，可靠性相对没有半桥芯片的驱动电路高。但前提条件是半桥驱动芯片的驱动电路要设计合理。

3 MOSFET驱动线路的要求及参数的调整

门极电压不能超过Vgs的最大值。在设计驱动线路时，应考虑驱动电源电压和线路的抗干扰性，确保MOSFET在带感性负载且工作在开关状态时栅极电压不超过Vgs的最大值。
为了能够减少MOSFET的开关损耗，驱动线路应能提供足够大的驱动电流，使开通和关断的时间尽可能短，同时，尽量减少门极电压的高频震荡。如果要获得同样的RC时间常数，使用较小的驱动电阻和较大的电容可以获得较好的驱动特性，但驱动线路的损耗同时也增加了。

图5和图6是实际应用中的测试波形，从图中我们可以看出：①电容的增加使得开启的时间变长，增加了开通损耗。②电容的增加，使得门极电压的高频震荡减少。同时，由于米勒平台的振荡减小，MOSFET在米勒平台期间的损耗也会相应减小。
延长MOSFET的开通时间可以减小开通时的涌入电流。由于电机负载为感性负载，所以在PWM关断时存在续流现象（见图7中的I2），为了减小续流侧反向恢复电流（Irr）的大小，PWM侧开关管的开通速度不宜过快。由于MOSFET处于饱和区时有公式：Id=K*(Vgs-Vth)2,（K为一常数，由MOSFET的特性决定）。所以在一定的温度和Vds条件下，从MOSFET的门极驱动电压Vgs可以判断MOSFET中的电流大小。图5中Vgs峰值为9.1V，图6中Vgs峰值为6.4V，所以增加电容使得峰值电流减小。Id也可从MOSFET的转移特性图中获得。

由于MOSFET的封装电感和线路的杂散电感的存在，在MOSFET反向恢复电流Irr突然关断时，MOSFET（Q3）上的电压Vds会出现振铃（如图8中CH2所示）。此振铃的出现会导致Vds超过MOSFET的击穿电压从而发生雪崩现象。如果线路中出现振铃，我们可以通过以下方法来减小振铃：

A．设计线路时应考虑线路板布线：①尽量缩短驱动线路与MOSFET之间的线迹长度；②使大电流回路的铜箔走线尽量短且宽，必要时可