MOSFET的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：率場效應(yīng)晶體管由于具有諸多優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用；但它承受短時(shí)過載的能力較弱，使其應(yīng)用受到一定的限制。分析了MOSFET器件驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路的設(shè)計(jì)要求；計(jì)算了MOSFET驅(qū)動(dòng)器的功耗及MOSFET驅(qū)動(dòng)器與MOSFET的匹配；設(shè)計(jì)了基于IR2130驅(qū)動(dòng)模塊的MOSFET驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路。該電路具有結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)用性強(qiáng)，響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。在驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)的應(yīng)用中證明，該電路驅(qū)動(dòng)能力及保護(hù)功能效果良好。
關(guān)鍵詞：功率場效應(yīng)晶體管；功耗和匹配；驅(qū)動(dòng)電路；保護(hù)電路

功率場效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)是一種多數(shù)載流子導(dǎo)電的單極型電壓控制器件，具有開關(guān)速度快、高頻性能好、輸入阻抗高、噪聲小、驅(qū)動(dòng)功率小、動(dòng)態(tài)范圍大、無二次擊穿現(xiàn)象和安全工作區(qū)域(SOA)寬等優(yōu)點(diǎn)，因此，在高性能的開關(guān)電源、斬波電源及電機(jī)控制的各種交流變頻電源中獲得越來越多的應(yīng)用。但相比于絕緣柵雙極型晶體管IGBT或大功率雙極型晶體管GTR等，MOSFET管具有較弱的承受短時(shí)過載能力，因而其實(shí)際使用受到一定的限制。如何設(shè)計(jì)出可靠和合理的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路，對于充分發(fā)揮MOSFET功率管的優(yōu)點(diǎn)，起著至關(guān)重要的作用，也是有效利用MOSFET管的前提和關(guān)鍵。文中用IR2130驅(qū)動(dòng)模塊為核心，設(shè)計(jì)了功率MOSFET驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路應(yīng)用與無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，同時(shí)也闡述了本電路各個(gè)部分的設(shè)計(jì)要求。該設(shè)計(jì)使系統(tǒng)功率驅(qū)動(dòng)部分的可靠性大大的提高。

1 功率MOSFET保護(hù)電路設(shè)計(jì)
功率場效應(yīng)管自身擁有眾多優(yōu)點(diǎn)，但是MOSFET管具有較脆弱的承受短時(shí)過載能力，特別是在高頻的應(yīng)用場合，所以在應(yīng)用功率MOSFET對必須為其設(shè)計(jì)合理的保護(hù)電路來提高器件的可靠性。功率MOSFET保護(hù)電路主要有以下幾個(gè)方面：
1)防止柵極 di／dt過高：由于采用驅(qū)動(dòng)芯片，其輸出阻抗較低，直接驅(qū)動(dòng)功率管會(huì)引起驅(qū)動(dòng)的功率管快速的開通和關(guān)斷，有可能造成功率管漏源極間的電壓震蕩，或者有可能造成功率管遭受過高的di／dt而引起誤導(dǎo)通。為避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，通常在MOS驅(qū)動(dòng)器的輸出與MOS管的柵極之間串聯(lián)一個(gè)電阻，電阻的大小一般選取幾十歐姆。
2)防止柵源極間過電壓 由于柵極與源極的阻抗很高，漏極與源極間的電壓突變會(huì)通過極間電容耦合到柵極而產(chǎn)生相當(dāng)高的柵源尖峰電壓，此電壓會(huì)使很薄的柵源氧化層擊穿，同時(shí)柵極很容易積累電荷也會(huì)使柵源氧化層擊穿，所以要在MOS管柵極并聯(lián)穩(wěn)壓管以限制柵極電壓在穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值以下，保護(hù)MOS管不被擊穿，MOS管柵極并聯(lián)電阻是為了釋放柵極電荷，不讓電荷積累。
3)防護(hù)漏源極之間過電壓 雖然漏源擊穿電壓VDS一般都很大，但如果漏源極不加保護(hù)電路，同樣有可能因?yàn)槠骷_關(guān)瞬間電流的突變而產(chǎn)生漏極尖峰電壓，進(jìn)而損壞MOS管，功率管開關(guān)速度越快，產(chǎn)生的過電壓也就越高。為了防止器件損壞，通常采用齊納二極管鉗位和RC緩沖電路等保護(hù)措施。
當(dāng)電流過大或者發(fā)生短路時(shí)，功率MOSFET漏極與源極之間的電流會(huì)迅速增加并超過額定值，必須在過流極限值所規(guī)定的時(shí)間內(nèi)關(guān)斷功率MOSFET，否則器件將被燒壞，因此在主回路增加電流采樣保護(hù)電路，當(dāng)電流到達(dá)一定值，通過保護(hù)電路關(guān)閉驅(qū)動(dòng)電路來保護(hù)MOSFET管。圖1是MOSFET管的保護(hù)電路，由此可以清楚的看出保護(hù)電路的功能。