蒋吉强
提出了一种功率MOSFET驱动电路。首先介绍了MOSFET的驱动要求及驱动不足产生的影响,然后介绍了一种外置式转换驱动电压的驱动电路,最后通过仿真验证了外置式转换驱动电压的驱动电路。
【关键词】驱动电压 转换电路 损耗 驱动不足
1 引言
功率MOSFET的驱动电路是影响整个电路系统可靠性和稳定性的重要因数,在半导体技术高速发展的今天,MOSFET的规格越来越多,不同规格MOSFET的G极驅动要求也有差异。
1.1 MOSFET的G极驱动电压
MOSFET的G极驱动要求中,有一项技术参数Vgs(th),阈值电压通常低压MOSFET的Vgs(th)在4V以内,高压MOSFET的Vgs(th)则通常在3-5V之间,驱动电路必需满足Vgs(th)的要求,电路才能可靠稳定的工作。
1.2 MOSFET驱动电压不足的影响
随着集成电路的高速发展,由早期的分立器件演变到模拟集成电路,模拟集成电路的驱动电压通常可以做到10V以上,能满足MOSFET的驱动要求的。随着电路芯片集成度越来越高,各种保护检测都集成到芯片内部,芯片厂商普遍采用MCU单片机的方案来实现,电源电路芯片也都趋向于使用此方案,然而MCU通常的VCC供电电压为5V以内,加上内部的导通压降及外围驱动电路的损耗,到Vgs的电压可能只有4V左右,如果使用简单的驱动电路,一些MOSFET就会出现驱动不足的现象,由于驱动电压低,MOSFET没有饱和导通,处于放大态,DS电压高,电流大,此时MOSFET的损耗很大,会过热损坏,最终导致电路失效。
2 研究内容
基于以上分析,需要寻求一种外置式的转换电路,将MCU输出的驱动电压由4-5V提高到满足MOSFET Vgs要求。
2.1 驱动电压提高转换电路
利用我们下面介绍的驱动电压提高转换电路(图1),驱动电压由芯片驱动输出电压转换成外置电压,其中外置电压可根据MOSFET的Vgs要求来设定,根据MOSFET的其他参数设定R7、,C2、R9、C1的参数,调整MOSFET驱动上升和下降的斜率,满足MOSFET的驱动要求,增强了电路的可靠性。
2.2 工作原理
图1中V1为MCU驱动输出,一般为高低电平方波,高电平大于2.5V,低电平小于1V;V2为外置电压源,可肯定使用的MOSFET的规格来设定外置电压源电压;Q5为小电流NMOSFET,驱动电压要求小于2.5V;Q3为PNP三极管;Q1为NPN三极管,Q2为要确定的大电流高压功率MOSFET。当V1为高电平时(大于2.5V),Q5导通,通过R7、C2,Q3饱和导通,通过D1,R9、C1,Q1截止,V2电压加到Q2的Vgs端,Q2的驱动电压由V1转换为V2,Q2饱和导通;当V1输出低电平时(小于1V),Q5的Vg没有达到Q5的开通电压,Q5截止,Q3B极为高电平(V2电压)Q3截止,Q1通过R3、R9、C1,Q1饱和导通,Q2的Vgs被拉到零电位,Q2截止。从原理上分析图5电路可以满足低电压转换为较高电压(电压V2大于电压V1)。
2.3 仿真验证
可以用仿真软件来验证下上面所介绍的转换电路,仿真驱动电压由5V转换到12V的电路(图2),V1输出驱动电压5V,V2输出电压12V,仿真器件参数如图2所示。
再看下仿真的驱动波形(图3),此电路很好的实现了驱动电压提高的转换,驱动电压由5V提高到12V, 驱动上升与下降的斜率在可接受的范围。
再来看下MOSFET的DS电压和电流的仿真波形(图4),从图中可知在驱动电压为高时,MOSFET饱和导通,DS电压为零,没有出现驱动不足的现象。
3 结论
通过简单而且成本低廉的方式实现电平的转换,增加电路的可靠性和稳定性,对目前主流的MCU控制方案的广泛应用起到一定的促进作用。
参考文献
[1]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,1998.
[2]梁竹关,赵东风. MOS管集成电路设计[M].北京:科学出版社,2011.
[3]包伟,蔡宣三.用PSPICE仿真研究PWM开关电源,电工电能新技术[J].电工电能新技术,1995(2):25-29.
作者单位
广东长虹电子有限公司 广东省中山市 528400