用于 MOSFET 的 BJT 推挽

电器工程 MOSFET驱动器
2022-01-09 05:10:02

我正在寻找一种用分立元件驱动 MOSFET 的方法。实际上我需要驱动一堆 MOSFET,电流为 100-150A。而且我想知道是否可以使用驱动 IC,以更好地控制功能,降低复杂性,降低成本。

我用电阻器和电容器尝试了不同的安排。我正在使用示波器来监控振铃、上升/下降时间等。

问题是,只要我引入电阻,上升/下降时间就会变得非常长。

输入信号的上升/下降时间仅为约 8-10 ns。单独使用 BJT,信号很容易以相似的上升/下降时间复制。但是一旦引入了栅极电容,上升/下降时间就会显着增加,例如 300-2000 ns。

因此,我一直在尝试不同的方法来减少上升/下降时间:

方法 A:NPN+PNP(电压跟随器?从 Vcc 获取电流?)

我做了以下电路,没有意识到栅极电压永远不会超过输入信号电压。

我需要栅极电压超过 10V 以最小化 Rdson。

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

方法B:PNP+NPN

我尝试了不同的电阻器和电容器:

示意图

模拟这个电路

但我发现:

  • 电容器减少了上升振铃,但增加了下降振铃和时间 => 移除
  • 除 R2 和 R3 外的所有电阻器都对上升/下降特性产生不利影响 => 已移除
  • 使用 R2 和 R3 的电位器,我发现最好的电阻是 R3=4k 和 R2=1.5k。
  • 上升时间490ns,下降时间255ns。

我有点担心栅极电压降得不够低,例如似乎保持在 400mV 左右。虽然地面似乎在 250mV 时读取,所以也许面包板只是蹩脚。当信号恒定为低(关闭)时,栅极电压应该多低才能防止热量积聚?

我想知道是否还有什么我可以做的来提高性能?

改进电路:

示意图

模拟这个电路

示波器:

注意:显然输入信号是通过设置在示波器上反转的。稍后我会更新截图...

在此处输入图像描述 在此处输入图像描述 在此处输入图像描述

此外,我在以下屏幕截图中包含了 PNP 的基础。它应该看起来像这样吗?它看起来有点时髦。

问题似乎在于 NPN 保持打开状态,从而阻止了门充电。

在此处输入图像描述 在此处输入图像描述

4个回答

其他人已经建议了 IC MOSFET 驱动器。听起来你真的想做一个离散驱动程序。

这是一个电路,它基本上是驱动器 IC 内部的电路。这导致 100 安培开关具有大约 100 ns 的转换时间,以将 MOSFET 功耗保持在最低水平。

Q1 是一个简单的反相电平转换器,可将信号摆幅提高到 12 伏。M2和M3组成一个MOSFET推挽驱动器。R4 和 R5 用于限制直通电流,以防止损坏 M2 和 M3,因为当它们的栅极在 0 和 12V 之间转换时,它们都将在一小部分时间内打开。

如果没有 R4 和 R5,直通电流将超过其最大漏极电流额定值。在实际的 IC 中,M2 和 M3 的尺寸将足够小以具有足够高的 Rds-on,而不是放置实际的电阻器。

此外,M2/M3 进行反转以恢复正常逻辑。最后,M3 用作处理 100 安培电流的大电流驱动器。

在此处输入图像描述

请注意,关闭 M1 大约有 2 us 延迟。如果您不是在高频下切换负载,那么这 2us 就无关紧要了。

我绝对不建议使用这些部件;我只是从 LTspice 中挑选出来的。例如,M1 被限制为 35A 连续电流,因此请用适合您设计的部件替换这些部件并重新运行仿真。然后在您的原型中进行测试以确认性能。无论如何,这个电路对你来说可能是一个很好的起点。

您的 BJT 处于跟随器配置中。这意味着它们可以提供电流增益,但不能提供电压增益。事实上,发射器将是正向信号基极下方的二极管压降。如果你的栅极电压达到 6V,你的信号发生器肯定有大约 6.7V 的电压。

BJT Wiki 页面有 3 种常见放大器形式的链接,其中详细解释了 BJT 放大器的特性。

BJT 维基

电流增益是一件好事,因为为了在短时间内为 FET 的栅极电容充电,您需要高峰值电流:I=C*dv/dt。

获得更高电压摆幅的一种方法是在栅极驱动级之前添加一个 BJT 电平转换器以从 5V 转换为 12V。当然,单级 BJT 电平转换器会反转信号,但通常您可以在信号源处处理它。

在此处输入图像描述

上拉电阻的值必须足够小,以便为您的应用获得可接受的上升时间。VCC 将是您的 12V 电源,并且基极电阻的大小应确保在 5V 驱动下饱和,给定晶体管的 beta。!Y 应连接到 BJT 栅极驱动器级的基极。

但是,如果您的目标是 FET 的快速上升和下降时间,而不是了解 BJT,您可能应该使用商用栅极驱动器 IC。寻找来自 IR/Infineon、德州仪器、Intersil 或 Maxim 的选项。

以下是 TI 的低成本选项:

UCC27517

第一个版本 - 如果只有最大可用的 mosfet VGS = +4,3 V 就足够了,推挽射极跟随器应该没问题。应从 BJT 发射器到 GND 插入约 100 欧姆的下拉电阻,以确保 MOSFET 处于关闭状态,因为 PNP 在 +0.7 V 以下不会有效下拉。此外,仅插入 MOSFET 栅极端子的几欧姆阻尼电阻应防止一些由电容和导线电感引起的振铃。

您的第二个版本有一个快捷方式。想想当前的路线 Q2 base->R3->R2->Q1 base。

发射极跟随器没有饱和,因此没有由于扩散电容造成的关断延迟。

正如其他答案所建议的那样,使用栅极驱动器 IC。它通过调零来完成这项工作,并且在工作电压转换期间出现不可想象的行为的可能性较低。

附录由于提问者的评论指出电流为 100 A

100 安培的导通状态 Id 需要认真注意,如果开关速率很高,则需要更多注意。通过从普通的 50 欧姆 Zout 方波信号发生器驱动栅极来进行测试运行。为安全起见,使用低开关频率并以 +6V 以上的单极信号启动。Vgs 中的示波器给出了在所需转换时间内注入和移除状态转换需要多少电荷的想法。这决定了所需的驱动电流。Vds 中的示波器显示所需的 Vgs。

所描述的测量是设计足够强大的驱动器的基础。

快速切换 100 安培是危险的,如果不是对您来说,那么对电路的寿命来说也是如此。

假设某处有 4 英寸的电线。这大约是 0.1uH。大约。我很高兴假设 1 米的电线是 1 个微亨利电感,因为我可以运行一些谨慎的包络后计算并避免重大损坏。

让我们在 10 纳秒内关闭 100 安培。在源极或漏极中具有 0.1uH 电感。发生什么了?

$$V = L * dI/dT$$ $$V = 100nanoHenry * 100 amps/10 nanoSeconds$$“纳米”取消。我们有 100 * 100 /10,或一千伏。

如果在漏极中,您只需清除功率 MOSFET。

如果在源中,您可能会得到一个负反馈行为,该行为会阻止关闭许多纳秒。我亲眼目睹了这种情况,在 9 安培驱动器中使用长测试线。