无刷驱动设计——浅谈MOS驱动电路

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的实际电路模型

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。

寄生电容

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。

寄生电感

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。

仿真

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。

仿真1栅极串接小电阻

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。

当R2=2.2Ω，未反向并联二极管时

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。

当R2=4.7Ω，未反向并联二极管时

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：

当R2=7.56Ω，未反向并联二极管时

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。

当R2=10.7Ω，未反向并联二极管时

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？

当R2=15Ω，未反向并联二极管时

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】

仿真2栅极串接小电阻+反并联二极管

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：

当R2=10.7，并联二极管时

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。

其他方案

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。

总结

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