前言
上周末,在调试无刷电机驱动的时候总是莫名其妙的炸管,心态都搞没了,实在没办法了只好在CSDN和B站大学重新学习了相关理论知识,以下是笔者学习笔记,仅供参考,如有错误欢迎大家批评指正。
MOS作为一个常用器件相信大家都不陌生,有关其分类和原理笔者不做赘述,在模电中老师会教我们如下原理图和符号,缺很少提到带寄生电容的等效模型。
如下图所示,实际的MOS器件并不是像书本上介绍的那样,由于制作工艺、材料以及封装的原因,MOS器件的栅极(g)源极(s)漏极(d)三个电极之间会各存在一个寄生电容,从MOS被制作出来就自带的有。这三个寄生电容分别命名为:Cgs、Cgd、Cds,具体值会在数据手册中标明。
这里以常用的7843为例,在其数据手册中就有记录,注意在数据手册中,一般是不是直接标出上述上个电容具体值,而是用输入电容、输出电容、逆导电容表示,它们六者的关系如下:
输入电容(Input Capacitance)Ciss=Cgd+Cgs
输出电容(Output Capacitance) CDSS=Cgd+Cds
逆导电容( Reverse Transfer Capacitance) Crss=Cgd
根据上面的公式可以得到此款7843的Cgs=4200-770=3430pf,约等于3.5nf。
为了更好地理解后面的仿真过程,这里还需要补充一个点,那就是寄生电感,有关其介绍可以参考此文:寄生电感怎么产生的_寄生电感产生原因是什么。
了解了寄生电感和寄生电容后,就可以开始仿真了,这里只是为了说明现象,定性的分析,所以参数设定方面就不是很严谨。这里笔者选用的寄生电感取值为100nH,寄生电容取值为3.5nF,MOS选用NMOS,控制信号为1KHZ,占空比为10%的PWM波形。
这个仿真旨在说明MOS控制的栅极串接小电阻R2的作用,根据前面的分析,我们知道,在实际的MOS电路中存在寄生电感和寄生电容,等效后可以得到如下图所示的仿真电路。
可以发现,在加入栅极电阻后组成了一个RLC电路,根据基尔霍夫定律,在0初始条件下进行拉氏变换可以得到如下传递函数。
其中ωn是无阻尼自然振荡角频率;ζ是系统阻尼比,根据传递函数,由于电路固定,元器件也固定,所以ωn是固定的,ζ是可以随着电阻的增加而增加的。在自动控制原理对典型二阶系统的描述中可以知道,ζ在不同范围,系统输出会有不同的状态:
0<ζ<1:欠阻尼状态
ζ=1:临界阻尼状态
ζ>1: 过阻尼状态
最佳阻尼比为ζ=0.707。
栅极驱动的实际波形如下:
此时 ζ=0.021,属于欠阻尼状态,超调量大约为50%,调节时间大约为580ns,出现了振铃现象。
可以发现此时上升沿会存在超调量,并且超调量很大,如果,管子耐压值不够,很可能会因为这个超调量而损坏。
同样,下降沿位置也出现了超调,如果这个超调量过大,达到了MOS的导通电压,很可能会使MOS在本该关闭的时间出现误导通,这对于用MOS组成的H桥和三相桥电路来说是致命的,如果这个误导通时间长度超过了设定的死区时间,就会出现上桥臂和下桥臂同时导通的时间,就相当于直接将功率部分的电源正和电源负直接短接,一瞬间的电流足以点亮你的MOS管。
所以为了保护电路安全,我们必须尽可能的降低超调量,消除栅极驱动的振铃现象。
栅极驱动的实际波形如下:
此时 ζ=0.4396,还是属于欠阻尼状态,超调量大约为21%,调节时间大约为370ns。
上升沿:
下降沿:
此时ζ=0.707,为自动控制原理中的最佳阻尼比,这里只是单纯展示一下最佳阻尼比时系统输出的状态,需要强调的是此取值并不是实际系统中的最佳值。
此时上升沿的超调量为5%,调节时间ts=180ns。
栅极驱动的实际波形如下:
此时 ζ=1,还是属于临界阻尼状态,超调量消失了,振铃也消失了,调节时间大约为153ns。
下降沿波形:
可以发现此时的电阻值已经满足了我们的期望,没有振铃,也没有超调,那么继续加大电阻,使系统变为过阻尼状态,会有什么现象呢?
ζ=1.403,可以发现系统还是没有超调和振铃,但是调节时间ts还增加了,这对于我们的MOS控制来说并没有好处,上升时间越长,MOS处于半开半关状态的时间也越长,MOS发热就会比较严重,具体讲解可以查看一下视频:
【让MOS烧的值得 振铃,杂散电感知识讲解-哔哩哔哩】
【一个公式都没有 MOS米勒电容的通俗讲解-哔哩哔哩】
在栅极驱动电路中,除了上面提到的电阻R2外,很多方案都会添加一个反并联二极管,那么增加这个二极管的作用是什么呢?
仿真电路如下:
栅极驱动的实际波形如下:
上升沿(并联二极管):
上升沿(未并联二极管):
可以发现增加二极管后对上升沿没有影响。
下降沿波形(并联二极管):
下降沿波形(未并联二极管):
观察下降沿,可以发现,比没有并联二极管的电路而言,下降沿出现了一个反向电压,这样有利于MOS的迅速关断,能够进一步保护MOS。
除了上述处理方法外还可以在栅极加入RC电路来消除振铃和超调,具体讲解参考此视频。【LC串联谐振的经典应用_mos管驱动电路为什么要加一个小电阻?-哔哩哔哩】
MOS管及其外围电路设计。
有关MOS栅极驱动的介绍就记录至此,文中如有不妥之处欢迎批评指出。
参考文献
模拟电子设计导论 杨艳 傅强
自动控制原理 吴怀宇