低压Mosfet平台电压时间对图腾柱驱动电路拓扑影响对策研究

摘要：Mosfet平台电压时间是Mos管处于放大区的典型标志，Mos管不能很快进入开关状态，从而严重增加Mos管的开关损耗，导致Mos管发热量极大。针对上述问题，综合考虑图腾柱驱动电路的栅极电阻参数不同对Mosfet平台电压时间测量和Mos管关断期间浪涌电流di/dt对电容Cgs的影响，在保证系统稳定的前提下找出降低Mos管发热量的最佳平台时间。基于RLC串联谐振电路模型，适当增加Mos管栅极电阻来减少电容Cgs电压振荡，确保Mos管正常导通和关闭。设计并制作了电动车轮毂电机的低压Mosfet驱动电路实验样机，并做了相关的测试。实验结果表明：合适的平台电压时间降低了图腾柱驱动电路拓扑低压Mos管的发热损耗，开关管关断时候的di/dt明显降低，电路的整体效率得到提高。

关键词：Mosfet平台电压时间;图腾柱驱动电路;RLC串联谐振电路;Mos管栅极电阻

0  引言

Mos管分为低压Mos管和高压Mos管。低压Mos管内部是由许多小Mos管并联而成的，导致Cgs电容大，Rds（ON）比较小;高压Mos管内部是由许多小Mos管串联而成的，导致Cgs电容小，Rds（ON）比较大。因此，在功率一定的情况下，低压Mos管允许通过的电流大，高压Mos管允许通过的电流小[1]。

本文基于Mos管前级的图腾柱驱动电路，采用改变栅极电阻和RLC串联谐振电路模型，在保证整个图腾柱驱动电路稳定工作的前提下，消除低压Mos管振荡，降低Mos管发热损耗，降低关断过程中由于di/dt导致的EMI影响，同时提高了整个电路的效率。

1  ;低压Mosfet图腾柱驱动电路工作原理与RLC串联谐振模型

Mosfet的导通和关闭过程，可以简单的理解为驱动源对Mosfet的输入电容Ciss（主要是栅源极电容Cgs）的充放电过程，驱动电路一般采用图腾柱电路。

1.1 低压Mosfet图腾柱驱动电路的工作原理

Mosfet管导通和关闭过程中，驱动电压波形、Cgs电容的电压波形、DS两端的电压波形及Id电流波形如图1所示。

1.2 RLC串联谐振模型

Mosfet在导通和关断过程中，如果在平台电压区域内Cgs电容发生了振荡，就极易烧坏Mosfet。因此，研究Cgs电容的充电和放电就显得极为关键。用示波器各点波形时发现，在芯片输出端是非常好的方波输出，但一旦测量Mos管GS波形时就有振荡，当振荡小时还能勉强过关，但当振荡特别大时发现Mos管发热特别严重，甚至炸掉。

为尽量减少Cgs电容的振荡，特引入RLC串联谐振模型。R是栅极电阻，L是PCB Layout时走线上的寄生电感，C是Mos管GS两端的电容。其中L和C不消耗功率，电阻R起阻尼作用。

根据文献[2]的推导，电阻R值决定了C两端会不会振荡。当R>2（L/C）^0.5时，整个模型处于过阻尼状态，基本不会发生振荡的。因此，为了尽量消除Mosfet在导通和关断时的振荡，需要做到3点：①适当增大栅极电阻，使R≥2（L/C）^0.5，来消除振荡;②在PCB板布局布线时减小走线上的寄生电感L;③在Mosfet管的GS两端并联一个103或104的小电容，间接增大C的容值。

2  低压Mosfet图腾柱驱动电路设计

图腾柱驱动电路设计时，Mosfet损耗一直是设计中需要着重考虑的问题。由图1可知，低压Mosfet在t1～t8时间段都有损耗，其中t2～t3开通阶段、t6～t7关断阶段所占比例最大。在低压大电流的系统中，开关损耗所占比例为80%～90%。

t2～t3开通阶段，此时损耗量W1如式（1）所示：

W1=Idmax×Vds（t）×（t3-t2）（1）

（t3-t2）是Mosfet平台电压时间，Idmax由负载决定，Vds（t）也不变，要想减小损耗量W1，只有减小Mosfet平台电压时间。因此逻辑关系是：降低Mosfet开关损耗→压缩平台电压时间→增大Igs电流→减小栅极电阻（或提高栅极驱动电压）。

可以适当提高栅极驱动电压，但不能超过极限电压

+20V，本文实验内容的驱动电压取+15V;减小栅极电阻R可以压缩米勒平台宽度来直接降低Mosfet开关损耗，但依据Mosfet的RLC串联谐振模型，一味地减小栅极电阻R会使Mos管开通时Cgs电容发生振荡。

在低压大电流系统中，开通可以快一点，但要重点考虑Mos管的关断，要让关断适当慢一些。当栅极驱动电压确定为+15V的情况下，依据文献[3]，栅极电阻取值范围在10Ω～100Ω，Mosfet的平台电压时间设置在90ns～300ns。

在低压大电流系统中，综合考虑Mosfet管关断、Cgs电容振荡、Mosfet管的发热和EMC电磁兼容性等4个因素[4]，设计出低压Mosfet图腾柱驱动电路如图2所示。

3  电动车轮毂电机的低压Mosfet驱动电路实验

研究

以电动车轮毂电机为载体[5]，根据低压Mosfet驱动电路搭建实物如图3所示。

在电路实验板上测试Mos管GS和DS两端的电压波形，当栅极电阻为300R时，Mosfet开通时平台电压时间是1us（16.65-15.65），Mosfet关断时的平台电压时间为1.56us（10.6-9.04）。

实时测试栅极电阻等于4R7、10R、20R、33R、47R、51R、100R情況下的平台电压时间值，以及Cgs是否发生明显振荡，如表1所示：

由表1可知，要想Cgs电容不发生明显振荡，且平台电压时间在90ns～300ns之间，栅极电阻取值应在20R～100R之间。

4  结论

①在低压大电流系统中，Mosfet在关断时一定要慢一些，可以开通快;

②在低压大电流系统中，Mosfet平台电压时间设置在90ns～300ns，栅极电阻取值范围在10Ω～100Ω;

③压缩Mosfet平台电压时间可以降低开关损耗，适当增大栅极电阻可以减小Cgs电容振荡;

④在Mosfet管的GS两端并联一个103或104的小电容可以有效降低电容振荡，减小电磁兼容。

参考文献：

[1]苏延芬.Trench MOSFET的研究与进展[J].半导体技术，2007（4）：34-36.

[2]樊冬冬，汪志刚.一种高性能快速关断型槽栅 MOS 器件[J].微电子学与计算机，2017，34（1）：40-43，47.

[3]习毓.射频LDMOS的击穿电压与静电保护[D].西安电子科技大学，2008.

[4]白朝辉，王标.利用TSUPREM-4对低压VDMOS进行虚拟制造[J].现代电子技术，2007（15）：47-55.

[5]徐新国，陈军峰.电动车无刷直流电机控制器系统研究[J].电子世界，2016（10）：80-85.

作者简介：钱亮（1989-），男，四川广安人，硕士，助教，研究方向为电源技术及电机驱动技术。