MOS驅動

• 前言
• MOS的實際電路模型
• • 寄生電容
  • 寄生電感
• 仿真
• • 仿真1柵極串接小電阻
  • • 當R2=2.2Ω，未反向并聯二極管時
    • 當R2=4.7Ω，未反向并聯二極管時
    • 當R2=7.56Ω，未反向并聯二極管時
    • 當R2=10.7Ω，未反向并聯二極管時
    • 當R2=15Ω，未反向并聯二極管時
  • 仿真2柵極串接小電阻+反并聯二極管
  • • 當R2=10.7，并聯二極管時
• 其他方案
• 總結
• 參考文獻

前言

上周末，在調試無刷電機驅動的時候總是莫名其妙的炸管，心態都搞沒了，實在沒辦法了只好在CSDN和B站大學重新學習了相關理論知識，以下是筆者學習筆記，僅供參考，如有錯誤歡迎大家批評指正。

MOS的實際電路模型

MOS作為一個常用器件相信大家都不陌生，有關其分類和原理筆者不做贅述，在模電中老師會教我們如下原理圖和符號，缺很少提到帶寄生電容的等效模型。

寄生電容

如下圖所示，實際的MOS器件并不是像書本上介紹的那樣，由于制作工藝、材料以及封裝的原因，MOS器件的柵極（g）源極(s)漏極（d）三個電極之間會各存在一個寄生電容，從MOS被制作出來就自帶的有。這三個寄生電容分別命名為：Cgs、Cgd、Cds，具體值會在數據手冊中標明。

這里以常用的7843為例，在其數據手冊中就有記錄，注意在數據手冊中，一般是不是直接標出上述上個電容具體值，而是用輸入電容、輸出電容、逆導電容表示，它們六者的關系如下：
輸入電容（Input Capacitance）Ciss=Cgd+Cgs
輸出電容(Output Capacitance) CDSS=Cgd+Cds
逆導電容( Reverse Transfer Capacitance） Crss＝Cgd

根據上面的公式可以得到此款7843的Cgs=4200-770=3430pf,約等于3.5nf。

寄生電感

為了更好地理解后面的仿真過程，這里還需要補充一個點，那就是寄生電感，有關其介紹可以參考此文：寄生電感怎么產生的_寄生電感產生原因是什么。

仿真

了解了寄生電感和寄生電容后，就可以開始仿真了，這里只是為了說明現象，定性的分析，所以參數設定方面就不是很嚴謹。這里筆者選用的寄生電感取值為100nH，寄生電容取值為3.5nF，MOS選用NMOS，控制信號為1KHZ，占空比為10%的PWM波形。

仿真1柵極串接小電阻

這個仿真旨在說明MOS控制的柵極串接小電阻R2的作用，根據前面的分析，我們知道，在實際的MOS電路中存在寄生電感和寄生電容，等效后可以得到如下圖所示的仿真電路。

可以發現，在加入柵極電阻后組成了一個RLC電路，根據基爾霍夫定律，在0初始條件下進行拉氏變換可以得到如下傳遞函數。

其中ωn是無阻尼自然振蕩角頻率；ζ是系統阻尼比，根據傳遞函數，由于電路固定，元器件也固定，所以ωn是固定的，ζ是可以隨著電阻的增加而增加的。在自動控制原理對典型二階系統的描述中可以知道，ζ在不同范圍，系統輸出會有不同的狀態：

0<ζ<1:欠阻尼狀態

ζ=1：臨界阻尼狀態

ζ>1: 過阻尼狀態

最佳阻尼比為ζ=0.707。

當R2=2.2Ω，未反向并聯二極管時

柵極驅動的實際波形如下：

此時 ζ=0.021，屬于欠阻尼狀態，超調量大約為50%，調節時間大約為580ns，出現了振鈴現象。

可以發現此時上升沿會存在超調量，并且超調量很大，如果，管子耐壓值不夠，很可能會因為這個超調量而損壞。

同樣，下降沿位置也出現了超調，如果這個超調量過大，達到了MOS的導通電壓，很可能會使MOS在本該關閉的時間出現誤導通，這對于用MOS組成的H橋和三相橋電路來說是致命的，如果這個誤導通時間長度超過了設定的死區時間，就會出現上橋臂和下橋臂同時導通的時間，就相當于直接將功率部分的電源正和電源負直接短接，一瞬間的電流足以點亮你的MOS管。
所以為了保護電路安全，我們必須盡可能的降低超調量，消除柵極驅動的振鈴現象。

當R2=4.7Ω，未反向并聯二極管時

柵極驅動的實際波形如下：

此時 ζ=0.4396，還是屬于欠阻尼狀態，超調量大約為21%，調節時間大約為370ns。
上升沿：

下降沿：

當R2=7.56Ω，未反向并聯二極管時

此時ζ=0.707，為自動控制原理中的最佳阻尼比，這里只是單純展示一下最佳阻尼比時系統輸出的狀態，需要強調的是此取值并不是實際系統中的最佳值。

此時上升沿的超調量為5%，調節時間ts=180ns。

當R2=10.7Ω，未反向并聯二極管時

柵極驅動的實際波形如下：

此時 ζ=1，還是屬于臨界阻尼狀態，超調量消失了，振鈴也消失了，調節時間大約為153ns。

下降沿波形：

可以發現此時的電阻值已經滿足了我們的期望，沒有振鈴，也沒有超調，那么繼續加大電阻，使系統變為過阻尼狀態，會有什么現象呢？

當R2=15Ω，未反向并聯二極管時

ζ=1.403，可以發現系統還是沒有超調和振鈴，但是調節時間ts還增加了，這對于我們的MOS控制來說并沒有好處，上升時間越長，MOS處于半開半關狀態的時間也越長，MOS發熱就會比較嚴重，具體講解可以查看一下視頻：
【讓MOS燒的值得 振鈴,雜散電感知識講解-嗶哩嗶哩】
【一個公式都沒有 MOS米勒電容的通俗講解-嗶哩嗶哩】

仿真2柵極串接小電阻+反并聯二極管

在柵極驅動電路中，除了上面提到的電阻R2外，很多方案都會添加一個反并聯二極管，那么增加這個二極管的作用是什么呢?

仿真電路如下：

當R2=10.7，并聯二極管時

柵極驅動的實際波形如下：

上升沿（并聯二極管）：

上升沿（未并聯二極管）：

可以發現增加二極管后對上升沿沒有影響。
下降沿波形（并聯二極管）：

下降沿波形（未并聯二極管）：

觀察下降沿，可以發現，比沒有并聯二極管的電路而言，下降沿出現了一個反向電壓，這樣有利于MOS的迅速關斷，能夠進一步保護MOS。

其他方案

除了上述處理方法外還可以在柵極加入RC電路來消除振鈴和超調，具體講解參考此視頻。【LC串聯諧振的經典應用_mos管驅動電路為什么要加一個小電阻？-嗶哩嗶哩】
MOS管及其外圍電路設計。

總結

有關MOS柵極驅動的介紹就記錄至此，文中如有不妥之處歡迎批評指出。

參考文獻

模擬電子設計導論 楊艷 傅強
自動控制原理 吳懷宇

總結

以上是生活随笔為你收集整理的无刷驱动设计——浅谈MOS驱动电路的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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