蓄電池叉車(chē)調(diào)速器MOSEFT 管柵極電阻計(jì)算與模擬分析

朱俊臻，康少華，黎云兵，黃 林，耿 帥

(1.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì) 天津300161;2.軍事交通學(xué)院 軍事物流系，天津300161)

在變頻調(diào)速器中，MOSFET 功率管是作為開(kāi)關(guān)器件使用的，處于時(shí)通時(shí)斷的工作狀態(tài)，開(kāi)關(guān)頻率的提高，要求柵極驅(qū)動(dòng)電路具有充電電流大、開(kāi)關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)損耗小等特點(diǎn)。但是，由于MOSFET功率管極間電容、走線電感等因素的影響，柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)會(huì)產(chǎn)生寄生振蕩，加大功率器件的損耗，特別是在關(guān)斷過(guò)程中容易產(chǎn)生尖峰電壓，當(dāng)振蕩幅值較大時(shí)，就有可能直接造成功率開(kāi)關(guān)管損壞［1］。為了抑制這個(gè)寄生振蕩，可在其柵極加入適當(dāng)阻值的柵極電阻進(jìn)行控制。通過(guò)改變柵極電阻值，即可調(diào)整MOSFET 功率管的動(dòng)態(tài)性能［2］。

柵極電阻值的大小，直接影響MOSFET 功率管的開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)損耗、電磁干擾、驅(qū)動(dòng)信號(hào)的寄生振蕩等。因此，本文在分析各影響參數(shù)的基礎(chǔ)上，如MOSFET 參數(shù)、損耗、走線布局、寄生電感、驅(qū)動(dòng)能力等，整體考慮分析、計(jì)算所需的柵極電阻值。

1 MOSFET 管開(kāi)關(guān)特性分析

MOSFET 功率管的模式電路如圖1 所示。由功率管開(kāi)關(guān)特性可知，其內(nèi)部柵極電容在導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)是不斷變化的，通過(guò)限制柵極電流IG的幅值能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間。其中，一般通過(guò)T1、T2(圖中所示)構(gòu)成圖騰柱結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)MOSFET管的導(dǎo)通、關(guān)斷互鎖。

圖1 MOSFET 管導(dǎo)通與關(guān)斷柵極電流回路

減小RG值，MOSFET 功率管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間就會(huì)縮短，柵極電流IG會(huì)相應(yīng)增大，開(kāi)關(guān)損耗會(huì)降低。需要考慮的是，當(dāng)柵極電阻減小時(shí)，MOSFET功率管關(guān)斷變快，會(huì)出現(xiàn)大電流，柵極電流的變化率也將變大，從而產(chǎn)生很高的尖峰電壓Uce，其估算公式為

式中:Lσ為柵極驅(qū)動(dòng)線路寄生電感;di/dt為柵極電流變化率。

當(dāng)瞬態(tài)尖峰電壓超過(guò)漏源最大允許電壓時(shí)，MOSFET 管就可能擊穿損壞。MOSFET 功率管導(dǎo)通與關(guān)斷頻率越高，產(chǎn)生的尖峰電壓和尖峰電流越大，必將帶來(lái)嚴(yán)重的電磁干擾(electromagetic interference，EMI)，使控制電路失效。

2 柵極電阻最小值的確定

柵極電阻值決定了柵極峰值電流的大小，兩者呈反比關(guān)系，同時(shí)，隨著峰值電流的增加，功率管的開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗也相應(yīng)減小。但是，峰值電流并不能太大，以免損壞柵極驅(qū)動(dòng)電路。一般而言，由于MOSFET 柵極通路存在內(nèi)部電阻(RG(int))和自感，柵極峰值電流要更小一些，其計(jì)算公式為

同時(shí)，可以得到柵極電阻最小值的計(jì)算公式為

根據(jù)技術(shù)手冊(cè)和上述公式計(jì)算可得，該蓄電池叉車(chē)調(diào)速器用MOSFET 功率管IPB025N10N 的柵極電阻最小值RG(min)為8 Ω。在實(shí)際電路中，需要對(duì)柵極電阻與MOSFET 柵極之間的距離加以考慮，因?yàn)殚L(zhǎng)距離走線會(huì)使柵源電感增加，再結(jié)合MOSFET 內(nèi)部電感，形成LC 電路，產(chǎn)生振蕩電路，這樣很有可能超過(guò)功率管最大柵極開(kāi)啟電壓，形成誤導(dǎo)通。同時(shí)，為了抑制振蕩，也必須增加?xùn)艠O電阻值，其最小值計(jì)算公式為

式中:Lwire為走線產(chǎn)生的自感;Cies為MOSFET 功率管內(nèi)部柵極電容。

內(nèi)部柵極電容包含柵源電容和柵漏電容，不能僅僅將MOSFET 的輸入電容當(dāng)作MOSFET 總柵極電容。確定柵極電容的正確方法是查看MOSFET 技術(shù)手冊(cè)中的總柵極電荷量QG［3］，然后通過(guò)公式Q=C·U得到Cies的值。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，走線長(zhǎng)度與自感關(guān)系為1 nH/mm，考慮到其他走線因素，取Lwire=Length+ 10(nH)［4］，這樣，結(jié)合IPB025N10N 手冊(cè)［5］，就可以得到RG(min)為4 Ω 左右。

綜合以上兩方面因素，取其中較大的一個(gè)，得到對(duì)應(yīng)于功率管IPB025N10N 的最小柵極電阻值為8 Ω。

3 柵極電阻仿真分析

在工作頻率得到滿足的情況下，一只MOSFET功率管的電流容量往往不能滿足使用要求，此時(shí)則需將多只MOSFET 功率管并聯(lián)使用［6］。為此，在前述確定的柵極電阻最小值基礎(chǔ)上，使用仿真軟件Multisim，研究柵極電阻對(duì)并聯(lián)MOSFET 功率管性能的影響。仿真原理如圖2 所示。

圖2 并聯(lián)MOSFET 柵極電阻仿真原理

簡(jiǎn)化模型只考慮線路中的電阻因素，采用2只MOSFET 功率管并聯(lián)，所用的MOSFET 功率管為IPB025N10N。V1為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，幅值為15 V，頻率為1 MHz。V2提供48 V 電源電壓，則通過(guò)電阻R3能產(chǎn)生最大160 A 的負(fù)載電流，電阻R5和R6是IPB025N10N 的柵極電阻，電阻R1和R2是柵源間電阻。

當(dāng)T1管和T2管的參數(shù)完全一致并且電路布局完全對(duì)稱(chēng)時(shí)，即理想情況，漏極電流的仿真波形如圖3 所示。

圖3 理想漏極電流的仿真波形

可以看出，2 只并聯(lián)功率管T1和T2的漏極電流完全一致，MOSFET 性能達(dá)到理想狀態(tài)。

但實(shí)際電路中，走線布局不可避免地會(huì)使并聯(lián)的MOSFET 功率管的柵極線路電阻不同。假設(shè)在線路上R5為1 Ω，其他部分都是對(duì)稱(chēng)的，則可以得到漏極電流仿真波形(如圖4 所示)。

圖4 柵極電路不對(duì)稱(chēng)漏極電流的仿真波形

從圖4 仿真結(jié)果可知，在同一驅(qū)動(dòng)信號(hào)作用下，由于器件實(shí)際特性參數(shù)不一致，導(dǎo)通瞬間電流主要由先導(dǎo)通的MOSFET 功率管承受，同時(shí)伴隨有尖峰電流，當(dāng)?shù)? 只MOSFET 功率管導(dǎo)通后，其電流很快降低。在功率管完全開(kāi)通后，2 只管承受的電流是基本均衡的。在關(guān)斷時(shí)，后關(guān)斷的功率管要承受負(fù)載。

如果在MOSFET 功率管柵極串入計(jì)算得到的8 Ω 最小柵極電阻，則得到如圖5 所示的漏極電流仿真波形。

圖5 串入柵極電阻后漏極電流的仿真波形

可見(jiàn)，在加入柵極電阻后，MOSFET 功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷依然有先后之分，但因開(kāi)關(guān)速度變慢，此時(shí)的電流波動(dòng)變得很小。在實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路中，必然會(huì)由于線路問(wèn)題而產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)，但是一般情況下不會(huì)超過(guò)0.3 Ω。因此，結(jié)合上文計(jì)算結(jié)果，在每只MOSFET 功率管的柵極加入8 Ω 電阻，可以確保得到良好的均流特性。

4 實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)仿真分析結(jié)果，需對(duì)確定的柵極電阻值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證，重點(diǎn)通過(guò)觀察IPB025N10N 柵極驅(qū)動(dòng)電壓波形圖，驗(yàn)證柵極電阻值是否滿足抑制振蕩與峰電壓等要求，通過(guò)波形記錄儀測(cè)得結(jié)果如圖6 所示。

圖6 柵極電阻為8 Ω 的柵極驅(qū)動(dòng)電壓波形

可見(jiàn)，柵極電阻基本滿足開(kāi)關(guān)要求，上升沿和下降沿比較陡，但在MOSFET 關(guān)斷末尾段電壓存在較強(qiáng)的振蕩，這可能是因?yàn)樽呔€布局產(chǎn)生的自感引起的。因此，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提高柵極電阻值，可選擇約4 倍于上述電阻值，即取為33 Ω。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。

圖7 柵極電阻為33 Ω 的柵極驅(qū)動(dòng)電壓波形

由圖7 可見(jiàn)，當(dāng)柵極電阻取為33 Ω 時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓波形的上升沿和下降沿變緩，但并未超過(guò)相應(yīng)的死區(qū)時(shí)間，而且先前存在的關(guān)斷末尾振蕩得到了良好的抑制。

5 結(jié) 論

綜上所述，通過(guò)公式推導(dǎo)得出的柵極電阻值可以為設(shè)計(jì)電路提供最小理論參考。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮走線、布局、寄生電感等因素，并通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明，柵極電阻值的大小，應(yīng)按最小柵極電阻值的3—4 倍數(shù)值選定。

［1］ 李少華，任尚宗. PCB 電路中信號(hào)完整性分析與EMC 仿真技術(shù)［J］.信息通信，2012(2):42-44.

［2］ IGBT and MOSFET Drivers Correctly Calculated Application Note［EB/OL］.［2014-09-01］. http://www. IGBT-Driver.com.

［3］ Jamie D.MOSFET 驅(qū)動(dòng)器與MOSFET 的匹配設(shè)計(jì)［EB/OL］.［2014-09-01］.http://www.microchip.com.

［4］ 關(guān)于MOSFET 驅(qū)動(dòng)電阻的選擇［EB/OL］.［204-09-07］.http://www.ednchina.com.

［5］ Infineon Technologies AG.IPB025N10N Data Sheet［EB/OL］.［2014-09-08］.http://www.Irf.com.cn.

［6］ 楊成禹. 48V500A 全數(shù)字交流調(diào)速控制器的設(shè)計(jì)［D］. 天津:軍事交通學(xué)院，2011:35-38.