摘要：Mosfet平臺電壓時間是Mos管處于放大區(qū)的典型標志，Mos管不能很快進入開關(guān)狀態(tài)，從而嚴重增加Mos管的開關(guān)損耗，導(dǎo)致Mos管發(fā)熱量極大。針對上述問題，綜合考慮圖騰柱驅(qū)動電路的柵極電阻參數(shù)不同對Mosfet平臺電壓時間測量和Mos管關(guān)斷期間浪涌電流di/dt對電容Cgs的影響，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下找出降低Mos管發(fā)熱量的最佳平臺時間?；赗LC串聯(lián)諧振電路模型，適當增加Mos管柵極電阻來減少電容Cgs電壓振蕩，確保Mos管正常導(dǎo)通和關(guān)閉。設(shè)計并制作了電動車輪轂電機的低壓Mosfet驅(qū)動電路實驗樣機，并做了相關(guān)的測試。實驗結(jié)果表明：合適的平臺電壓時間降低了圖騰柱驅(qū)動電路拓撲低壓Mos管的發(fā)熱損耗，開關(guān)管關(guān)斷時候的di/dt明顯降低，電路的整體效率得到提高。

關(guān)鍵詞：Mosfet平臺電壓時間;圖騰柱驅(qū)動電路;RLC串聯(lián)諧振電路;Mos管柵極電阻

0 ?引言

Mos管分為低壓Mos管和高壓Mos管。低壓Mos管內(nèi)部是由許多小Mos管并聯(lián)而成的，導(dǎo)致Cgs電容大，Rds（ON）比較小;高壓Mos管內(nèi)部是由許多小Mos管串聯(lián)而成的，導(dǎo)致Cgs電容小，Rds（ON）比較大。因此，在功率一定的情況下，低壓Mos管允許通過的電流大，高壓Mos管允許通過的電流小[1]。

本文基于Mos管前級的圖騰柱驅(qū)動電路，采用改變柵極電阻和RLC串聯(lián)諧振電路模型，在保證整個圖騰柱驅(qū)動電路穩(wěn)定工作的前提下，消除低壓Mos管振蕩，降低Mos管發(fā)熱損耗，降低關(guān)斷過程中由于di/dt導(dǎo)致的EMI影響，同時提高了整個電路的效率。

1 ?;低壓Mosfet圖騰柱驅(qū)動電路工作原理與RLC串聯(lián)諧振模型

Mosfet的導(dǎo)通和關(guān)閉過程，可以簡單的理解為驅(qū)動源對Mosfet的輸入電容Ciss（主要是柵源極電容Cgs）的充放電過程，驅(qū)動電路一般采用圖騰柱電路。

1.1 低壓Mosfet圖騰柱驅(qū)動電路的工作原理

Mosfet管導(dǎo)通和關(guān)閉過程中，驅(qū)動電壓波形、Cgs電容的電壓波形、DS兩端的電壓波形及Id電流波形如圖1所示。

1.2 RLC串聯(lián)諧振模型

Mosfet在導(dǎo)通和關(guān)斷過程中，如果在平臺電壓區(qū)域內(nèi)Cgs電容發(fā)生了振蕩，就極易燒壞Mosfet。因此，研究Cgs電容的充電和放電就顯得極為關(guān)鍵。用示波器各點波形時發(fā)現(xiàn)，在芯片輸出端是非常好的方波輸出，但一旦測量Mos管GS波形時就有振蕩，當振蕩小時還能勉強過關(guān)，但當振蕩特別大時發(fā)現(xiàn)Mos管發(fā)熱特別嚴重，甚至炸掉。

為盡量減少Cgs電容的振蕩，特引入RLC串聯(lián)諧振模型。R是柵極電阻，L是PCB Layout時走線上的寄生電感，C是Mos管GS兩端的電容。其中L和C不消耗功率，電阻R起阻尼作用。

根據(jù)文獻[2]的推導(dǎo)，電阻R值決定了C兩端會不會振蕩。當R>2（L/C）^0.5時，整個模型處于過阻尼狀態(tài)，基本不會發(fā)生振蕩的。因此，為了盡量消除Mosfet在導(dǎo)通和關(guān)斷時的振蕩，需要做到3點：①適當增大柵極電阻，使R≥2（L/C）^0.5，來消除振蕩;②在PCB板布局布線時減小走線上的寄生電感L;③在Mosfet管的GS兩端并聯(lián)一個103或104的小電容，間接增大C的容值。

2 ?低壓Mosfet圖騰柱驅(qū)動電路設(shè)計

圖騰柱驅(qū)動電路設(shè)計時，Mosfet損耗一直是設(shè)計中需要著重考慮的問題。由圖1可知，低壓Mosfet在t1～t8時間段都有損耗，其中t2～t3開通階段、t6～t7關(guān)斷階段所占比例最大。在低壓大電流的系統(tǒng)中，開關(guān)損耗所占比例為80%～90%。

t2～t3開通階段，此時損耗量W1如式（1）所示：

W1=Idmax×Vds（t）×（t3-t2）（1）

（t3-t2）是Mosfet平臺電壓時間，Idmax由負載決定，Vds（t）也不變，要想減小損耗量W1，只有減小Mosfet平臺電壓時間。因此邏輯關(guān)系是：降低Mosfet開關(guān)損耗→壓縮平臺電壓時間→增大Igs電流→減小柵極電阻（或提高柵極驅(qū)動電壓）。

可以適當提高柵極驅(qū)動電壓，但不能超過極限電壓

+20V，本文實驗內(nèi)容的驅(qū)動電壓取+15V;減小柵極電阻R可以壓縮米勒平臺寬度來直接降低Mosfet開關(guān)損耗，但依據(jù)Mosfet的RLC串聯(lián)諧振模型，一味地減小柵極電阻R會使Mos管開通時Cgs電容發(fā)生振蕩。

在低壓大電流系統(tǒng)中，開通可以快一點，但要重點考慮Mos管的關(guān)斷，要讓關(guān)斷適當慢一些。當柵極驅(qū)動電壓確定為+15V的情況下，依據(jù)文獻[3]，柵極電阻取值范圍在10Ω～100Ω，Mosfet的平臺電壓時間設(shè)置在90ns～300ns。

在低壓大電流系統(tǒng)中，綜合考慮Mosfet管關(guān)斷、Cgs電容振蕩、Mosfet管的發(fā)熱和EMC電磁兼容性等4個因素[4]，設(shè)計出低壓Mosfet圖騰柱驅(qū)動電路如圖2所示。

3 ?電動車輪轂電機的低壓Mosfet驅(qū)動電路實驗

研究

以電動車輪轂電機為載體[5]，根據(jù)低壓Mosfet驅(qū)動電路搭建實物如圖3所示。

在電路實驗板上測試Mos管GS和DS兩端的電壓波形，當柵極電阻為300R時，Mosfet開通時平臺電壓時間是1us（16.65-15.65），Mosfet關(guān)斷時的平臺電壓時間為1.56us（10.6-9.04）。

實時測試柵極電阻等于4R7、10R、20R、33R、47R、51R、100R情況下的平臺電壓時間值，以及Cgs是否發(fā)生明顯振蕩，如表1所示：

由表1可知，要想Cgs電容不發(fā)生明顯振蕩，且平臺電壓時間在90ns～300ns之間，柵極電阻取值應(yīng)在20R～100R之間。

4 ?結(jié)論

①在低壓大電流系統(tǒng)中，Mosfet在關(guān)斷時一定要慢一些，可以開通快;

②在低壓大電流系統(tǒng)中，Mosfet平臺電壓時間設(shè)置在90ns～300ns，柵極電阻取值范圍在10Ω～100Ω;

③壓縮Mosfet平臺電壓時間可以降低開關(guān)損耗，適當增大柵極電阻可以減小Cgs電容振蕩;

④在Mosfet管的GS兩端并聯(lián)一個103或104的小電容可以有效降低電容振蕩，減小電磁兼容。

參考文獻：

[1]蘇延芬.Trench MOSFET的研究與進展[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2007（4）：34-36.

[2]樊冬冬，汪志剛.一種高性能快速關(guān)斷型槽柵 MOS 器件[J].微電子學(xué)與計算機，2017，34（1）：40-43，47.

[3]習(xí)毓.射頻LDMOS的擊穿電壓與靜電保護[D].西安電子科技大學(xué)，2008.

[4]白朝輝，王標.利用TSUPREM-4對低壓VDMOS進行虛擬制造[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007（15）：47-55.

[5]徐新國，陳軍峰.電動車無刷直流電機控制器系統(tǒng)研究[J].電子世界，2016（10）：80-85.

作者簡介：錢亮（1989-），男，四川廣安人，碩士，助教，研究方向為電源技術(shù)及電機驅(qū)動技術(shù)。