MOSFET的驅動(dòng)保護電路的設計與應用

摘要：率場(chǎng)效應晶體管由于具有諸多優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應用；但它承受短時(shí)過(guò)載的能力較弱，使其應用受到一定的限制。分析了MOSFET器件驅動(dòng)與保護電路的設計要求；計算了MOSFET驅動(dòng)器的功耗及MOSFET驅動(dòng)器與MOSFET的匹配；設計了基于IR2130驅動(dòng)模塊的MOSFET驅動(dòng)保護電路。該電路具有結構簡(jiǎn)單，實(shí)用性強，響應速度快等特點(diǎn)。在驅動(dòng)無(wú)刷直流電機的應用中證明，該電路驅動(dòng)能力及保護功能效果良好。
關(guān)鍵詞：功率場(chǎng)效應晶體管；功耗和匹配；驅動(dòng)電路；保護電路

功率場(chǎng)效應晶體管(Power MOSFET)是一種多數載流子導電的單極型電壓控制器件，具有開(kāi)關(guān)速度快、高頻性能好、輸入阻抗高、噪聲小、驅動(dòng)功率小、動(dòng)態(tài)范圍大、無(wú)二次擊穿現象和安全工作區域(SOA)寬等優(yōu)點(diǎn)，因此，在高性能的開(kāi)關(guān)電源、斬波電源及電機控制的各種交流變頻電源中獲得越來(lái)越多的應用。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(guò)載能力，因而其實(shí)際使用受到一定的限制。如何設計出可靠和合理的驅動(dòng)與保護電路，對于充分發(fā)揮MOSFET功率管的優(yōu)點(diǎn)，起著(zhù)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驅動(dòng)模塊為核心，設計了功率MOSFET驅動(dòng)保護電路應用與無(wú)刷直流電機控制系統中，同時(shí)也闡述了本電路各個(gè)部分的設計要求。該設計使系統功率驅動(dòng)部分的可靠性大大的提高。

1 功率MOSFET保護電路設計
功率場(chǎng)效應管自身?yè)碛斜姸鄡?yōu)點(diǎn)，但是MOSFET管具有較脆弱的承受短時(shí)過(guò)載能力，特別是在高頻的應用場(chǎng)合，所以在應用功率MOSFET對必須為其設計合理的保護電路來(lái)提高器件的可靠性。功率MOSFET保護電路主要有以下幾個(gè)方面：
1)防止柵極 di／dt過(guò)高：由于采用驅動(dòng)芯片，其輸出阻抗較低，直接驅動(dòng)功率管會(huì )引起驅動(dòng)的功率管快速的開(kāi)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(guò)高的di／dt而引起誤導通。為避免上述現象的發(fā)生，通常在MOS驅動(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(guò)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(guò)極間電容耦合到柵極而產(chǎn)生相當高的柵源尖峰電壓，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)穩壓管以限制柵極電壓在穩壓管穩壓值以下，保護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)防護漏源極之間過(guò)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電路，同樣有可能因為器件開(kāi)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(kāi)關(guān)速度越快，產(chǎn)生的過(guò)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緩沖電路等保護措施。
當電流過(guò)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(guò)額定值，必須在過(guò)流極限值所規定的時(shí)間內關(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電路，當電流到達一定值，通過(guò)保護電路關(guān)閉驅動(dòng)電路來(lái)保護MOSFET管。圖1是MOSFET管的保護電路，由此可以清楚的看出保護電路的功能。