????首先，MOS管電路設(shè)計(jì)主要是基于幾對(duì)矛盾的選擇：高低電壓、大小電流和高低開(kāi)關(guān)閾值。

1. ? ??一般在MOSFET的規(guī)格書(shū)標(biāo)注Vgss很簡(jiǎn)潔清晰，如：±20V或±30V，即可以在此范圍內(nèi)使用；

2. Vgss是沒(méi)有浪涌的概念的，通過(guò)的電流是nA量級(jí)，只要Vgs到了某個(gè)值（一般會(huì)比標(biāo)示高一定數(shù)值，各廠家標(biāo)準(zhǔn)不同），即擊穿；

3. 一般MOSFET從Vgs到達(dá)閥值（例如2.5V）開(kāi)啟，到10V左右飽和導(dǎo)通，到15V再向上Rdson的減少已經(jīng)走緩。在電路設(shè)計(jì)上，已沒(méi)太大必要利用此區(qū)域；

????對(duì)于功率MOS器件，Vdss和Rdson是最大的一對(duì)矛盾，見(jiàn)下圖關(guān)于Vdss在20-100V范圍的器件的Rdson的表象關(guān)系。

????可以看到，起碼從50-100V段，與Rdson是呈現(xiàn)線性增大的關(guān)系；其實(shí)從100-700V段，也是如此。可以想象的是，若在保證同樣Vdss的前提下要求Rdson的降低，可看作同樣單位的晶胞數(shù)量的增加，意味著單位芯片的面積增加，也即意味著單位成本的增加，也即價(jià)格上升。而這個(gè)關(guān)系，起碼在100V-700V的耐壓段的器件中，大致是線性增加的關(guān)系。當(dāng)然，這是在同等工藝前提下的比較。??

? ? 此外，Qg、Qgd是在設(shè)計(jì)高頻應(yīng)用中開(kāi)關(guān)損耗的重要項(xiàng)目。

????如圖a中，為達(dá)到指定的驅(qū)動(dòng)電壓Vgs值（圖中xV），柵極的總充電電荷量，即為Qg；Qgd相當(dāng)與米勒電容Crss，也是影響開(kāi)關(guān)特性的重要參數(shù)。兩個(gè)參數(shù)與Vds正相關(guān)，Qg與Vds依存關(guān)系如圖b。

????為了驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O的柵極峰值電流Ig(peak)和驅(qū)動(dòng)損耗P(drive loss)可用下式計(jì)算：? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??????Ig(peak)=Qg/t

????????????????????????????????????????????????P(drive loss)=f*Qg*Vgs

?????在高速開(kāi)關(guān)的應(yīng)用中，功率MOS的Rdson*Qg的積越小，代表器件性能越好。

???? 在功率MOSFET的D、S極間有個(gè)寄生二極管。此二極管的額定電流值Idr和正向D極電流額定值Id相同。此二極管的特性是：當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)電壓為“零”壓降時(shí)，此二極管與平常的二極管的正向壓降特性相同；當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)電壓為正壓降時(shí)，此二極管能得到一個(gè)即使和肖特基二極管相比還要低的正向壓降，如圖。此正向壓降大小由此時(shí)的Rdson決定，Vsd=Id*Rdson。

???? 利用這個(gè)反向特性的特點(diǎn)，可積極應(yīng)用于如下用途：防止電池反接的負(fù)載開(kāi)關(guān)、替代電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的外接二極管、開(kāi)關(guān)電源的二次側(cè)同步整流電路。

?????在充分發(fā)揮MOSFET寄生二極管的反向特性的電機(jī)驅(qū)動(dòng)或開(kāi)關(guān)電源同步整流的應(yīng)用中，要求此反響恢復(fù)時(shí)間trr為高速。在這些應(yīng)用中，由于當(dāng)電路運(yùn)行在trr期間時(shí)上橋臂/下橋臂短路，導(dǎo)致產(chǎn)生過(guò)大的接通損耗。因此，通常在這些應(yīng)用的控制電路中，需要設(shè)計(jì)有在切換上/下器件開(kāi)關(guān)的同時(shí)是柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)斷開(kāi)的Dead Time（比trr長(zhǎng)的時(shí)間）。

???? 同時(shí)，恢復(fù)時(shí)（上圖的tb時(shí)段）的di/dt曲線越陡，越容易產(chǎn)生噪音。因此要求軟恢復(fù)特性。另外應(yīng)留意，trr會(huì)隨著溫度的上升會(huì)增大。

???? 在同樣的工藝下，不同耐壓Vdss的器件trr有很大不同。Vdss為60V以下的低耐壓時(shí)，trr為40~60 ns，速度較高；Vdss為100V級(jí)別時(shí)，trr為100 ns左右；Vdss在250V~500V的高耐壓時(shí)，trr的值到了300~600 ns，較慢。因此，為這方面應(yīng)用的高耐壓器件，會(huì)有一些相應(yīng)的工藝設(shè)計(jì)改動(dòng)，開(kāi)發(fā)在BV250V以上時(shí)trr在100 ns左右的高速產(chǎn)品。

???? 下圖為某一30V的功率MOSFET的瞬間熱阻θch-c(t)與脈寬PW的關(guān)系特性。此特性是為了計(jì)算器件在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的溝道溫度。PW代表單觸發(fā)脈沖(1 shot single pluse)或連續(xù)工作脈沖的脈寬時(shí)長(zhǎng)。

????例如一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行情況，工作頻率f=200Hz、占空比0.2、功耗Pd=50W，如何計(jì)算MOS的溝道溫度呢。首先，f=200Hz即周期時(shí)長(zhǎng)T=5ms；根據(jù)占空比0.2可得PW=1ms；然后，從上圖查得瞬間熱阻θch-c(t)=0.3*1.14=0.342?℃/W；于是可得出在此工作狀態(tài)下，溝道與外殼的溫差ΔTch=θch-c(t)*Pd=0.342*50=17.1?℃。

???? 功率MOSFET的Datasheet里，一般都列明該器件的安全工作區(qū)域（Area of Safe Operation），下圖為某30V的MOSFET的ASO圖。

???? ASO限制區(qū)域分為5個(gè)區(qū)：①區(qū)，受最大額定電流Id(pulse)max限制的區(qū)域；②區(qū)，受通態(tài)電阻Rdson理論限制的區(qū)域[Id=Vds/Rdson]；③區(qū)，受溝道損耗限制的區(qū)域；④區(qū)，二次擊穿區(qū)域；*此特性有點(diǎn)類(lèi)似雙極型晶體管，但通過(guò)設(shè)計(jì)改良，近年的器件在此區(qū)域已不太明顯，參看下面我公司器件提供的ASO圖。⑤區(qū)，受耐壓Vdss限制的區(qū)域。? ?

???? 理解MOSFET的安全工作區(qū)域中需要了解的：

???? 1、MOS的擊穿本質(zhì)是“熱”擊穿（或，能量擊穿）。與此理解相對(duì)的是“電壓擊穿”、“電流擊穿”。其實(shí)，若在脈寬足夠窄，不足以聚集到擊穿能量，MOS的耐受電壓或電流是能夠突破額定耐壓值或額定最大電流的；或者，聚集的能量（熱量）能快速地分散走，MOS的耐受電壓或電流也是能夠擴(kuò)展的。（這也是研究封裝工藝的意義所在?。?

? ? ?2、很多MOSFET Datasheet中的Idp或Id大多是估算值。查閱Datasheet的Idp或Id，常?？吹玫降淖⑹鍪牵骸癙ulse width limited by safe operating area.”（脈寬限于安全區(qū)域）或“Current limited by package”（受限于封裝）。?

????? 功率MOSFET一般應(yīng)用在開(kāi)關(guān)場(chǎng)合，因此正常的設(shè)計(jì)MOS是運(yùn)行在②區(qū)。在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)上也應(yīng)注意控制時(shí)序的問(wèn)題。例如某個(gè)實(shí)際應(yīng)用中，截止電路的工作電壓和柵極驅(qū)動(dòng)電壓如果若圖中實(shí)線所示，也即中斷電源電壓Vdd的下降時(shí)間長(zhǎng)于柵極驅(qū)動(dòng)電壓Vgs的下降時(shí)間時(shí)，MOS在t1時(shí)間段非充分驅(qū)動(dòng)，有可能會(huì)進(jìn)入到ASO限制區(qū)域中的④區(qū)和⑤區(qū)，有必要確認(rèn)MOS是否安全。

???? 為了避免這樣的工作區(qū)域，如虛線所示，可通過(guò)控制時(shí)序，使Vgs的下降時(shí)間長(zhǎng)于Vdd的下降時(shí)間，有效避免這樣的安全隱患。

?????N溝道的功率MOSFET的芯片照片和結(jié)構(gòu)如下圖所示。

???? 如圖中所示，功率MOSFET是有內(nèi)部并聯(lián)多個(gè)單元（晶胞）而成。如晶胞放大圖所示，電流從漏極流向源極（P溝道的器件與此相反）。

???? N溝道MOSFET的截面結(jié)構(gòu)如下圖所示。（下圖為內(nèi)置了柵極保護(hù)二極管的器件）。

???? 一般平面結(jié)構(gòu)的MOSFET的晶胞截面結(jié)構(gòu)和等效電路如下圖。從等效電路可見(jiàn)，并聯(lián)在漏極與源極間有寄生雙極晶體管，此晶體管在過(guò)度區(qū)間工作，因此為了不影響MOSFET的破壞耐量必須設(shè)法減少Rb。

???? 一般溝槽結(jié)構(gòu)的晶胞截面如下圖。

???? 對(duì)比高壓應(yīng)用和低壓應(yīng)用的功率MOSFET的通態(tài)電阻Rdson的構(gòu)成大致比例如下表。

Rn+：源區(qū)N＋擴(kuò)散區(qū)電阻；

??????? Rch：溝道電阻；

??????? Rj：當(dāng)外加?xùn)艍簳r(shí)，N-外延層中的電荷在柵極下表面產(chǎn)生積累，在溝道和JFET 區(qū)之間形成一條電流通路，這一積累層的電阻就是Rj；

??????? Rd：漂移區(qū)電阻，主要是外延層中的電阻；

??????? Rsub：襯底電阻。

? ? 縱觀功率MOSFET 的發(fā)展過(guò)程，它一直在向兩個(gè)方向發(fā)展：

?????? （1）高壓和超高壓方向。

??????? 這個(gè)方向希望器件能有較高的耐壓，但仍有較低的通態(tài)電阻或通態(tài)壓降。

??????? 下圖是高耐壓MOSFET的輸出靜態(tài)特性和體二極管特性示意。在一些如行場(chǎng)輸出或UPS等應(yīng)用中，可以積極使用此體二極管的特性。

?????在一些如逆變電源、電焊機(jī)、電鍍供電、電磁路等應(yīng)用中，會(huì)達(dá)到1200V、20-60A的器件要求。

???? 由于高耐壓類(lèi)型的器件通常有較厚的低摻雜外延層以承受高耐壓，所以外延層漂移電阻在通態(tài)電阻中占有決定性的地位（見(jiàn)上面比較表）。這類(lèi)器件最為典型的就是超級(jí)結(jié)MOSFET，也稱為CoolMOS。這方面可參考其他帖子，或另發(fā)貼敘述。

????? （2）低壓和超低壓方向。

??????? 這個(gè)方向?qū)ζ骷惺苣蛪耗芰σ笙鄬?duì)不高，但是要求器件有極低的通態(tài)電阻和較高的開(kāi)關(guān)速度，這是目前MOSFET 發(fā)展更為主導(dǎo)的方向。

??????? 下面是低耐壓輸出靜態(tài)特性和體二極管特性的示意。低耐壓MOSFET實(shí)現(xiàn)了低于幾mΩ數(shù)量級(jí)的超低通態(tài)電阻，比整流肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）的低Vf（Vf=0.3-0.5V）器件還要小的壓降。在一些如提高低電壓電源效率為目的，以MOS作同步整流的應(yīng)用正在擴(kuò)大。

? ? ? 這類(lèi)器件由于耐壓要求不是很高，所以外延層可以做的較薄或者摻雜濃度可以較高，因此漂移區(qū)電阻所占比例減小，而溝道電阻對(duì)通態(tài)電阻產(chǎn)生的影響明顯增大（見(jiàn)上面比較表）。為實(shí)現(xiàn)器件極低的通態(tài)電阻，要求每個(gè)MOSFET 由更多更小的原胞組成，這就要求其工藝精度必須向亞微米甚至深亞微米方向發(fā)展。此類(lèi)器件最典型的應(yīng)用就是在4C 產(chǎn)業(yè)中，即Communication，Computer，Consumer，Car（通信，電腦，消費(fèi)電器，汽車(chē)）。

??????舉個(gè)為微處理器供電的例子，說(shuō)明此類(lèi)應(yīng)用中MOSFET的選擇側(cè)重。

??????現(xiàn)時(shí)微處理器的工作頻率已經(jīng)由MHz級(jí)轉(zhuǎn)向GHz 級(jí)，工作電壓降到1.3V 左右，工作電流高達(dá)20A。對(duì)為其供電的電源電路來(lái)說(shuō)，需具更高的效率，電路上每部分的功耗都盡可能的小。如下示意圖的單相同步降壓型變換器為例，其典型輸入電壓為7.5V 到21V，輸出電壓約為1.3V，電路中控制和整流用的功率器件普遍采用30V 的MOSFET。

???????? 如圖中所示，電路中Q1 為高側(cè)MOSFET，也稱為控制管（ControlFET），其通/ 斷時(shí)間比決定降壓量。由于高側(cè)MOSFET 只是在很少的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，所以其開(kāi)關(guān)損耗遠(yuǎn)大于傳導(dǎo)損耗。這樣，降低器件開(kāi)關(guān)損耗比降低通態(tài)電阻更為重要。在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，MOSFET 需要承受一定的電壓和傳輸電流，這個(gè)電壓和電流的乘積決定了MOSFET 的峰值功率損耗，開(kāi)關(guān)時(shí)間越短功率損耗越小，所以要求Q1 必須有較高的開(kāi)關(guān)速度。因此在選擇高側(cè)MOSFET 時(shí)，應(yīng)選擇具有較低柵極電荷（Qg）和柵－漏電容（Cgd）的器件，這兩個(gè)指標(biāo)比通態(tài)電阻（Rdson）更為重要。

??????? 電路中Q2 為低側(cè)MOSFET，也稱為同步整流管（SyncFET），它在Q1 關(guān)斷期間為電感續(xù)流。由于轉(zhuǎn)換器要求低側(cè)MOSFET 在大部分時(shí)間導(dǎo)通，所以其傳導(dǎo)損耗遠(yuǎn)高于開(kāi)關(guān)損耗。因此要求低側(cè)MOSFET 必須擁有極低的通態(tài)電阻（Rdson），以減小導(dǎo)通狀態(tài)下的靜態(tài)功耗。

??????? 對(duì)于高側(cè)和低側(cè)功率MOSFET 來(lái)說(shuō)，有兩個(gè)參數(shù)極為重要。一個(gè)是Rdson，另一個(gè)是Qg。減小Rdson，有利于減小器件的通態(tài)功耗；降低Qg， 有利于減小器件的動(dòng)態(tài)功耗。但是，現(xiàn)在很難對(duì)兩個(gè)參數(shù)同時(shí)進(jìn)行大幅度的優(yōu)化，這是因?yàn)橐袁F(xiàn)有的工藝，優(yōu)化其中的任何一個(gè)參數(shù)必將對(duì)另一個(gè)參數(shù)帶來(lái)一定不利的影響。

? ? ? ? 再討論一下這個(gè)同步整流的BUCK電路中，MOS器件還需要改進(jìn)的地方。

??????? 電路中，低端MOSFET（SyncFET）的特性，因?yàn)槭谴箅娏鬟\(yùn)行，所以必須將器件設(shè)計(jì)為低Rdson，因此相關(guān)的電容（Ciss、Crss）有偏大的傾向。并且，由于重視高速性的設(shè)計(jì)，高端MOSFET（ControlFET）為高速開(kāi)關(guān)特性，因此dV/dt要變得更陡。這些都容易導(dǎo)致自導(dǎo)通的現(xiàn)象發(fā)生，如下圖所示：

???? ????自導(dǎo)通，是SyncFET Q2為斷開(kāi)狀態(tài)下接通ControlFET Q1的時(shí)序時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象。由于Q2的漏/源極電壓Vds從0急邊為Vin，使Ciss通過(guò)Q2的Crss充電，導(dǎo)致剛關(guān)上的Q2又再接通。

??????? 這是由于此時(shí)的柵極/源極間產(chǎn)生ΔVgs=ΔVds(t)*Crss/(Ciss + Crss)的峰值電壓，如MOS器件沒(méi)選好或電路設(shè)計(jì)不理想，ΔVgs達(dá)到或大于Q2的Vth，就會(huì)產(chǎn)生這種情況。電路運(yùn)行的波形如下面描述：

?????????發(fā)生這樣情況，Q1、Q2同時(shí)導(dǎo)通，會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的損耗，導(dǎo)致效率惡化、器件發(fā)熱、溫度上升。應(yīng)盡量避免自導(dǎo)通現(xiàn)象的發(fā)生。

??????? 在外圍電路改善，一般有3種對(duì)策：

??????? 1、延遲ControlFET Q1的接通時(shí)間，即抑制dV/dt；

??????? 2、在SyncFET Q2柵極/源極間接電容，即減少Crss/(Ciss + Crss)，使自導(dǎo)通的容限提高；

??????? 3、設(shè)計(jì)布線時(shí)盡量減少Q(mào)2柵極/源極間電感。

??????? 在MOS器件方面，除了上一帖所說(shuō)的Rdson與Qg的均衡考慮，進(jìn)行在高頻運(yùn)行（>1MHz）的器件設(shè)計(jì)時(shí)，不單要減少Ciss和Crss（即減少Q(mào)g），還需要考慮Ciss與Crss的比值（盡量Crss<<Ciss）。

????????在某些如電池管理的應(yīng)用中，對(duì)MOSFET的選擇會(huì)側(cè)重個(gè)別參數(shù)（如內(nèi)阻Rdson）的要求。

??????? 近年對(duì)于鋰離子/鋰聚合物電池（下面統(tǒng)稱：鋰電池），因其：體積小、能量密度高、無(wú)記憶、循環(huán)壽命高、自放電率低等優(yōu)點(diǎn)特性，在4C產(chǎn)業(yè)中，小如：手機(jī)、PDA、筆記本電腦、玩具、航模等，大如：電動(dòng)車(chē)、電動(dòng)工具等應(yīng)用中正不斷快速推廣。也是因?yàn)槠涮匦裕仨毤尤牍芾砟K保證其在充電、放電時(shí)的安全。典型的電池管理電路如下：

????????簡(jiǎn)單分析即可知電路的使用情況：

??????? 異常狀態(tài)的保護(hù)主要兩種類(lèi)型：1、過(guò)充\過(guò)放狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到相應(yīng)設(shè)定的過(guò)充\過(guò)放電池電壓時(shí)，關(guān)閉相應(yīng)的充\放端MOSFET，鎖定IC。待異常狀態(tài)解除后恢復(fù)正常。2、充電\放電異常大電流狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到Vss-Cs的壓差超過(guò)設(shè)定的電壓差（也即流經(jīng)MOSFET的電流產(chǎn)生異常的壓降）時(shí)，關(guān)閉相應(yīng)的充\放端MOSFET，鎖定IC。待異常狀態(tài)解除后恢復(fù)正常。

??????? 而在大量的使用情況，也即正常充電\放電狀態(tài)下，兩個(gè)MOSFET處于導(dǎo)通狀態(tài)。

??????? 分析過(guò)以上的電路使用情況，可知在此應(yīng)用中，MOSFET的選擇有如下要點(diǎn)：

??????? 1、主要側(cè)重于更低的通態(tài)內(nèi)阻（Rdson）；

??????? 2、開(kāi)關(guān)特性基本沒(méi)太高要求；

??????? 3、耐壓，因類(lèi)似應(yīng)用一般都固定負(fù)載類(lèi)型，充分考慮負(fù)載產(chǎn)生的反壓，加上電池電壓，稍高即可。

??????? 4、因類(lèi)似應(yīng)用一般空間有限，可能對(duì)器件的尺寸有高要求，MOSFET可考慮用尺寸更小散熱更好如PDFN的封裝。

再分步分析一下電機(jī)驅(qū)動(dòng)中MOSFET的選擇方向和注意要點(diǎn)。在中低壓大電流的MOS器件應(yīng)用中，無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是較為典型的例子。

??????? 無(wú)刷直流電機(jī)（brushless DC motor，BLDCM）以其體積小、重量輕（意味著制造成本降低）、效率高（意味著使用成本降低）、和易控制（調(diào)速、變向）等優(yōu)點(diǎn)，正在日常生活的電器中推廣。平常直觀可見(jiàn)的，如：電動(dòng)車(chē)、助力車(chē)、航模、電動(dòng)玩具等；貼近生活的家用電器，如：豆?jié){機(jī)、榨汁粉碎機(jī)、縫紉機(jī)、油煙機(jī)、電動(dòng)工具、風(fēng)扇等等，都可見(jiàn)到直流電極的身影。特別是近年隨著歐美等國(guó)頒布了很多關(guān)于民用電器在節(jié)能、環(huán)保方面的新標(biāo)準(zhǔn)，很多家電的制造廠商逐漸將原用低效笨重的交流電機(jī)改為直流電機(jī)的方案。

??????? 在無(wú)刷直流電機(jī)的控制器，特別是后級(jí)功率輸出部分中，現(xiàn)行較多使用的是兩種方式。一種是H橋驅(qū)動(dòng)，如下圖：

一種是三相全橋驅(qū)動(dòng)，如下圖：

在上圖中，一般采用兩相導(dǎo)通星型三相六狀態(tài)的控制策略，其工作過(guò)程如下：

??????????? t=0°??? 電流：電源+?》 Q1 》 U 》V 》Q4 》電源-

??????????? t=60°? 電流：電源+?》 Q1 》 U 》W 》Q6 》電源-

??????????? t=120°?電流：電源+?》 Q3 》 V 》W 》Q6 》電源-

??????????? t=180°?電流：電源+?》 Q3 》 V 》U 》Q2 》電源-

??????????? t=240°?電流：電源+?》 Q5 》 W 》U 》Q2 》電源-

??????????? t=300°?電流：電源+?》 Q5 》 W 》V 》Q4 》電源-

??????????? t=360°?電流：電源+?》 Q1 》 U 》V 》Q4 》電源-

??????? 從上可看出，只要轉(zhuǎn)子在合適的位置時(shí)及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)響應(yīng)的功率MOS管進(jìn)行換流，電機(jī)就能平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)并且獲得更大的轉(zhuǎn)矩。

????????在如上面列出的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式中，若設(shè)計(jì)不盡理想，也會(huì)發(fā)生與上面同步整流的BUCK電路類(lèi)似的自導(dǎo)通現(xiàn)象（下稱：橋臂短路）。下面簡(jiǎn)單分析一個(gè)配合使用P溝道MOSFET和N溝道MOSFET時(shí)的H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)下發(fā)生的橋臂短路現(xiàn)象和相應(yīng)的可用對(duì)策。

??????? 現(xiàn)所用的H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，在時(shí)序控制中，一般是這樣處理：在某個(gè)周期，上P管常導(dǎo)通，對(duì)側(cè)下N管進(jìn)行PWM調(diào)制導(dǎo)通；經(jīng)一定死區(qū)時(shí)間后，另一組上P管與對(duì)側(cè)下N管進(jìn)入導(dǎo)通周期。也即在某周期，如下圖，同一橋臂中上P管為斷開(kāi)狀態(tài)（另一上P管為導(dǎo)通狀態(tài)），下N管為斬波狀態(tài)。

????????在上圖，如A點(diǎn)電壓波形所示，快速地接通同側(cè)下N管，A點(diǎn)Vdd快速為0，導(dǎo)致過(guò)度的電流對(duì)上P管Ciss、Crss進(jìn)行充電，在上P管的柵/源極間產(chǎn)生ΔVgs=ΔVds(t)*Crss/(Ciss + Crss)的峰值電壓。若此峰值電壓ΔVgs超過(guò)了上P管的Vth，此橋臂的上/下側(cè)器件會(huì)同時(shí)為導(dǎo)通狀態(tài)，如圖中所示，A點(diǎn)電流產(chǎn)生尖峰，這就是橋臂短路現(xiàn)象。

??????? 分析可得，這種上下器件同時(shí)導(dǎo)通的橋臂短路現(xiàn)象更容易在如下條件中發(fā)生：

??????? ? ? 1、開(kāi)關(guān)運(yùn)行快（尤其是下N管導(dǎo)通時(shí)間快），dV/dt越陡越容易發(fā)生；

??????????? 2、信號(hào)源電阻Rg（柵極斷開(kāi)時(shí)的常數(shù)）越大越容易發(fā)生；

??????????? 3、上P管的Crss/Ciss的值越大（也即ΔVgs更容易到達(dá)Vth）越容易發(fā)生；

??????????? 4、電源電壓Vdd越高越容易發(fā)生。

??????? 橋臂短路現(xiàn)象在上/下側(cè)同為N型MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路和三相全橋驅(qū)動(dòng)電路中都會(huì)發(fā)生。負(fù)面的影響：一是功率上不去；二是損耗加大、效率降低、器件發(fā)熱，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致電路燒毀。應(yīng)盡量避免現(xiàn)象發(fā)生。

??????? 上述1-4中，4的電源電壓Vdd由使用用途決定，不能改變。在電路方面的對(duì)策如圖右邊所示：

??????????? 1、在上管的柵/源極間接電容C1，使容限提高；

??????????? 2、盡可能地提高下管的柵極驅(qū)動(dòng)電阻，抑制dV/dt。

??????? 同時(shí)，為抑制橋臂短路現(xiàn)象，MOSFET的選擇：

??????????? 1、選低Rg器件；

??????????? 2、上管Vth相應(yīng)增高；

??????????? 3、為抑制dV/dt，開(kāi)關(guān)性能并非越快越好。

????????無(wú)刷直流電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，因其為電感負(fù)載的特性，還需要重點(diǎn)考慮功率MOSFET的反向恢復(fù)時(shí)間（Trr）和雪崩耐受量（EAS）。

????????為方便描述，下面用一個(gè)上下N管的H橋驅(qū)動(dòng)電路為例子，簡(jiǎn)單說(shuō)明這類(lèi)應(yīng)用電路中對(duì)MOSFET中關(guān)于Trr、EAS等參數(shù)的考量要點(diǎn)。對(duì)于相同原理的三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)、類(lèi)似應(yīng)用的全橋或推挽驅(qū)動(dòng)（如逆變前級(jí)）等，道理也是一樣的，就交由大家自行推想了。

????????如下圖，是一個(gè)上半橋載波全N管電路，即在某一輪換運(yùn)行的工作時(shí)序中，某下管為長(zhǎng)導(dǎo)通，對(duì)上管進(jìn)行PWM調(diào)制。(半橋載波和全橋載波的優(yōu)劣另文對(duì)比)。

????????如上圖，Q1、Q4運(yùn)行時(shí)序中，Q4長(zhǎng)導(dǎo)通，Q1控制PWM。首先流經(jīng)Q1、電機(jī)、Q4的電流Id1;斷開(kāi)Q1，電機(jī)的電感L有再生電流If通過(guò)Q2的體二極管（Q4為長(zhǎng)通）;在此狀態(tài)下重新接通Q1，受Q2體二極管反向恢復(fù)時(shí)間（Trr）的影響，此期間中Q1、Q2為導(dǎo)通狀態(tài)；并且隨著流入的短路電流Irr，體二極管的電壓也跟著恢復(fù)，回復(fù)正常狀態(tài)。

????????從運(yùn)作狀態(tài)分析，在If運(yùn)行時(shí)，Q2使中心點(diǎn)產(chǎn)生一定的負(fù)壓，致使Q1重新接通時(shí)有可能運(yùn)行在雪崩區(qū)。這樣，Q2反向恢復(fù)時(shí)間（Trr）的長(zhǎng)短，不單影響短路電流Irr產(chǎn)生的電路損耗，還考驗(yàn)著Q1的雪崩耐受量。（此類(lèi)擊穿參看上面29貼）

????????以上幾個(gè)點(diǎn)都是電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)的考慮，日常設(shè)計(jì)中，還有很多例如，電機(jī)非正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)：?jiǎn)?dòng)、堵轉(zhuǎn)（電動(dòng)車(chē)如剎車(chē)、超載）、卡死等狀態(tài)下的PWM控制策略，無(wú)霍爾傳感器時(shí)的相位定位方法，MOS并聯(lián)使用的考慮等等方面的考慮，這些都會(huì)影響著MOSFET的選擇，后面會(huì)一一進(jìn)行描述。

????????當(dāng)然，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中MOSFET的選擇，考慮得最多的是：滿足耐壓下的導(dǎo)通特性和開(kāi)關(guān)特性。這在上面的討論中也多處描述，以現(xiàn)有市場(chǎng)的技術(shù)應(yīng)用水平換句話就是：在相同的其他性能下，追求更低Rdson。

????????下面簡(jiǎn)單講解一下無(wú)刷直流電機(jī)中轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的方法（主要描述反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)的原理）和電機(jī)啟動(dòng)的策略。

????????通過(guò)上面的描述，我們可以知道：轉(zhuǎn)子在合適的位置時(shí)及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)相應(yīng)的功率MOS管進(jìn)行換流，電機(jī)才能平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)并且獲得更大的轉(zhuǎn)矩。所以，獲取準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信息非常重要。一般來(lái)說(shuō)，有兩類(lèi)方法可以獲取轉(zhuǎn)子位置信息。

????????一類(lèi)是采用傳感器獲取轉(zhuǎn)子位置，例如霍爾傳感器，現(xiàn)行的很多電動(dòng)車(chē)控制器就是用這種方法。這類(lèi)方法簡(jiǎn)單易行，但傳感器易受環(huán)境影響，在高溫等環(huán)境下，性能會(huì)變壞，甚至失效，同時(shí)連接線較多。

????????另一類(lèi)是利用測(cè)量得到的電流、電壓、電機(jī)的基本方程、觀測(cè)器和電機(jī)的反電勢(shì)等獲得轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。這一類(lèi)中，以“反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零法”較為普遍，具有線路簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然也存在電機(jī)不轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速很低時(shí)，反電勢(shì)無(wú)法檢測(cè)的缺點(diǎn)，這可以通過(guò)軟件優(yōu)化進(jìn)行克服。下面是反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零法系統(tǒng)框圖：

????????反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零法的工作原理如下圖所示：在任何時(shí)刻，電機(jī)的三相繞組只有兩相導(dǎo)通，每相繞組正反相分別導(dǎo)通120°電角度。通過(guò)測(cè)量三相繞組端子及中性點(diǎn)相對(duì)于直流母線負(fù)端（或正端）的電位，當(dāng)某端點(diǎn)電位與中性點(diǎn)電位相等時(shí)，此時(shí)此刻該相繞組反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零，再過(guò)30°電角度就必須對(duì)功率器件進(jìn)行換相。據(jù)此可設(shè)計(jì)過(guò)零檢測(cè)及移相（或定時(shí)）電路，從而得到全橋驅(qū)動(dòng)6個(gè)MOSFET的開(kāi)關(guān)順序。

????????反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零的方法現(xiàn)在在如航模電調(diào)、變頻空調(diào)控制裝置等精度要求高的地方得到了很多的應(yīng)用，相信隨著電機(jī)運(yùn)行各種小狀態(tài)的深入分析、應(yīng)對(duì)策略的軟件優(yōu)化，這種方法會(huì)更多地替換用霍爾傳感器的相位檢測(cè)方法。

????????啟動(dòng)策略在無(wú)位置傳感器無(wú)刷電機(jī)中相當(dāng)重要。因?yàn)樵陟o止或低速狀態(tài)下反電勢(shì)值為0或很小，無(wú)法用反電勢(shì)法來(lái)判定轉(zhuǎn)子的位置，所以在啟動(dòng)狀態(tài)不能使用反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零的方法。

????????啟動(dòng)策略分為硬件方式和軟件方式兩種，下面主要講述采用軟件三段式的方法。市場(chǎng)上也逐漸出現(xiàn)一些拋棄霍爾傳感器的電動(dòng)車(chē)控制器的方案采用硬件方式控制啟動(dòng)，雖然增加了額外的電路，但免去了因霍爾傳感器老化失效、溫度變化定位不準(zhǔn)等困擾。

????????首先是轉(zhuǎn)子定位，通過(guò)導(dǎo)通上下橋臂各一個(gè)MOSFET，通電一段時(shí)間后就完成了初始定位。然后從該位置開(kāi)始，給電機(jī)加載電壓，然后檢測(cè)過(guò)零點(diǎn)，如果檢測(cè)到過(guò)零點(diǎn)就提前切換功率管的導(dǎo)通狀態(tài)，如果檢測(cè)不到就延時(shí)一段時(shí)間，再按照前面說(shuō)明的換向表依次導(dǎo)通各個(gè)功率管，每個(gè)狀態(tài)保持的時(shí)間根據(jù)加速情況決定，逐步的縮短每個(gè)狀態(tài)的保持時(shí)間，提高逆變器的輸出頻率，保證電機(jī)在不失步的前提下提高轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。注意，在這個(gè)過(guò)程中，軟件控制可以精準(zhǔn)地控制試通時(shí)間和延遲時(shí)間，避免MOSFET過(guò)熱或失效。

????????因?yàn)榉措妱?shì)過(guò)零檢測(cè)法構(gòu)成的控制系統(tǒng)是一個(gè)從開(kāi)環(huán)進(jìn)入到閉環(huán)的控制系統(tǒng)，它具有自調(diào)節(jié)、自穩(wěn)定的能力，無(wú)論在過(guò)電壓還是欠電壓情況下切換到閉環(huán)系統(tǒng)，對(duì)于控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)只相當(dāng)于一個(gè)電壓擾動(dòng)，控制系統(tǒng)能夠根據(jù)電壓變化調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。因此，只要外加控制加速到一定速度，能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)到反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信號(hào)，電機(jī)都能夠平穩(wěn)切換。這樣就能夠避免電機(jī)在起動(dòng)初期會(huì)產(chǎn)生大電流，減少了對(duì)主電路的沖擊，延長(zhǎng)了功率管的壽命。

????????其實(shí)近年，象應(yīng)用霍爾傳感器的電動(dòng)車(chē)控制器，隨著對(duì)啟動(dòng)時(shí)應(yīng)對(duì)策略的深入分析、對(duì)器件應(yīng)用的透徹了解、對(duì)軟件的不斷優(yōu)化，原來(lái)在啟動(dòng)過(guò)程功率MOS器件嚴(yán)重過(guò)熱的情況正在不斷改善。

????????我們?cè)倏匆幌抡Ｇ闆r下，無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)整速度的策略是如何進(jìn)行的。

????????電機(jī)調(diào)速控制信號(hào)的檢測(cè)在外部中斷程序中完成。如下面流程圖所示，外部中斷程序檢測(cè)調(diào)速控制信號(hào)的上升沿和下降沿，根據(jù)基準(zhǔn)時(shí)鐘計(jì)算出脈沖時(shí)間，然后設(shè)置PWM信號(hào)的占空比。

????????電機(jī)的換相控制在程序的主流程中完成。如下面流程圖所示，程序以三相六狀態(tài)循環(huán)的方式進(jìn)行工作。當(dāng)進(jìn)入某一狀態(tài)的控制階段時(shí)，程序首先根據(jù)上一次換相的時(shí)間，估算本次過(guò)零點(diǎn)時(shí)間，然后等待檢測(cè)反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)。當(dāng)檢測(cè)到準(zhǔn)確的過(guò)零點(diǎn)時(shí)間后，程序計(jì)算出本次換相點(diǎn)的理論時(shí)間（30°換相時(shí)間）。隨后根據(jù)設(shè)置的參數(shù)對(duì)換相時(shí)間進(jìn)行修正，以發(fā)揮電機(jī)的最大工作功率。當(dāng)換相時(shí)間到達(dá)時(shí)，程序切換MOSFET管的通斷狀態(tài)，然后進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)的控制階段。

????????當(dāng)電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)（高的可達(dá)60000 r/min），控制器的換相必須在很短的時(shí)間內(nèi)完成。這就要求控制芯片的基準(zhǔn)時(shí)鐘足夠快，并要求控制程序的算法簡(jiǎn)短、精確和高效。

????????高速運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)調(diào)速控制信號(hào)的周期通常在1100~1900?μs之間。程序使用控制芯片（例如：MEGA8）內(nèi)部定時(shí)器作為檢測(cè)調(diào)速信號(hào)的基準(zhǔn)時(shí)鐘。如MEGA8工作在16 MHz，定時(shí)器工作在8分頻的模式下時(shí)，定時(shí)器的時(shí)間精度為0.5?μs，這樣程序檢測(cè)控制信號(hào)的精度就可達(dá)到?0.5%。該精度越高，設(shè)計(jì)者進(jìn)行控制器對(duì)電機(jī)線性加速、發(fā)揮電機(jī)更大功率、軟件保護(hù)措施（如對(duì)堵轉(zhuǎn)、卡死、供電電壓變化的應(yīng)對(duì)策略）的設(shè)計(jì)提供越為有利的條件。

????????無(wú)刷直流電機(jī)在實(shí)際使用過(guò)程中（例如應(yīng)用在電動(dòng)車(chē)、航模等）經(jīng)常需要考慮有可能發(fā)生的異常情況，如：電池電壓過(guò)高或過(guò)低、電機(jī)堵轉(zhuǎn)等。電池電壓過(guò)高或過(guò)低可能會(huì)導(dǎo)致控制器無(wú)法正常工作；電機(jī)堵轉(zhuǎn)可能會(huì)導(dǎo)致電池或電機(jī)燒毀。因此，需要在控制器的設(shè)計(jì)上充分考慮這方面的因素，預(yù)先設(shè)定相應(yīng)的保護(hù)策略。

????????1、?在電機(jī)啟動(dòng)之前，程序要首先檢測(cè)電池的電壓。如果電池電壓過(guò)高或過(guò)低，程序要發(fā)出警報(bào)信息。

????????2、程序通過(guò)一個(gè)定時(shí)器中斷檢測(cè)控制脈沖信號(hào)的輸入情況。如果在一定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有信號(hào)輸入，程序?qū)㈥P(guān)閉電機(jī)以防發(fā)生意外。

????????3、在每一次換相結(jié)束后，都要檢測(cè)電池當(dāng)前電壓和電機(jī)的工作電流。當(dāng)電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)電機(jī)的電流會(huì)陡然上升，程序要立即關(guān)閉電流輸出以防電池或電機(jī)的損壞。

????????4、控制IC需要有高的抗干擾能力。

????????只要把異常情況的對(duì)策考慮得足夠充分，現(xiàn)有的控制IC是有足夠的時(shí)間精度去保障功率MOSFET運(yùn)行在安全區(qū)域，進(jìn)而保證控制器和電機(jī)的正常運(yùn)作。

????????無(wú)刷直流電機(jī)控制器中經(jīng)常會(huì)有功率MOSFET并聯(lián)使用的需求，下面我們簡(jiǎn)單介紹一下功率MOSFET并聯(lián)使用需要注意的地方。

????????并聯(lián)功率MOSFET最容易引起的是柵極的寄生振蕩。特別是在并聯(lián)MOSFET未外加介入柵極電阻而直接連接時(shí)。高速反復(fù)導(dǎo)通、斷開(kāi)漏/源極電壓Vds（尤其是斷開(kāi)）時(shí)，由負(fù)載的布線電感?Ld產(chǎn)生的震動(dòng)電壓Vds(p)，通過(guò)Cgd（Crss）和柵極引線Lg形成諧振電路。因?yàn)榇箅娏鞲咚費(fèi)OSFET的柵極內(nèi)部電阻?rg很小，一般在1~2Ω以內(nèi)，如果沒(méi)有柵極外接Rg，諧振電路的Q值（如圖所列）就很大。如果諧振條件成立，就會(huì)在Cgd（Crss）之間或?Lg間（即柵極/源極之間）產(chǎn)生大的振動(dòng)電壓，引起寄生振蕩。如下圖所示。

????????特別是并聯(lián)使用一般為大電流運(yùn)行。如果開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的過(guò)渡電流平衡變差，全部電流就只在此時(shí)序的偏差期間流入到一個(gè)MOSFET。通常此期間非常短，幾ns到幾十ns之間，不存在功率MOSFET的熱應(yīng)力問(wèn)題。但理論上可認(rèn)為漏/源極的振動(dòng)電壓Vds(p)為n倍，或大于n倍。

????????寄生振蕩的負(fù)面影響：

????????1、Vgs振動(dòng)電壓超出BVgs而導(dǎo)致柵極破壞；

????????2、Vds(p)通過(guò)Cgd與Vgs波形重疊導(dǎo)致正向反饋，可能會(huì)由于誤動(dòng)作而引起電路的振蕩破壞。

????????為了減低并聯(lián)MOSFET的寄生振蕩，電路上的設(shè)計(jì)有如下圖的相關(guān)對(duì)策。

????????另外，在選用并聯(lián)MOSFET，除了向半導(dǎo)體廠家詳細(xì)咨詢外，還應(yīng)該注意：

????????1、??為改善斷開(kāi)時(shí)的過(guò)度電流平衡，盡可能選用更大Vth（特別是關(guān)斷閥值）的MOSFET；

????????2、??為改善通態(tài)電流的平衡，盡可能選用更低?Rdson的MOSFET；

????????3、??外加更充分的柵極驅(qū)動(dòng)電壓；

????????4、??盡可能選用高雪崩耐受值的MOSFET。

????????至此，對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的控制器中MOSFET的選擇和設(shè)計(jì)中注意要點(diǎn)的介紹暫告一段落。

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