前言

上周末，在調(diào)試無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的時(shí)候總是莫名其妙的炸管，心態(tài)都搞沒(méi)了，實(shí)在沒(méi)辦法了只好在CSDN和B站大學(xué)重新學(xué)習(xí)了相關(guān)理論知識(shí)，以下是筆者學(xué)習(xí)筆記，僅供參考，如有錯(cuò)誤歡迎大家批評(píng)指正。

MOS的實(shí)際電路模型

MOS作為一個(gè)常用器件相信大家都不陌生，有關(guān)其分類和原理筆者不做贅述，在模電中老師會(huì)教我們?nèi)缦略韴D和符號(hào)，缺很少提到帶寄生電容的等效模型。

寄生電容

如下圖所示，實(shí)際的MOS器件并不是像書(shū)本上介紹的那樣，由于制作工藝、材料以及封裝的原因，MOS器件的柵極（g）源極(s)漏極（d）三個(gè)電極之間會(huì)各存在一個(gè)寄生電容，從MOS被制作出來(lái)就自帶的有。這三個(gè)寄生電容分別命名為：Cgs、Cgd、Cds，具體值會(huì)在數(shù)據(jù)手冊(cè)中標(biāo)明。

這里以常用的7843為例，在其數(shù)據(jù)手冊(cè)中就有記錄，注意在數(shù)據(jù)手冊(cè)中，一般是不是直接標(biāo)出上述上個(gè)電容具體值，而是用輸入電容、輸出電容、逆導(dǎo)電容表示，它們六者的關(guān)系如下：

輸入電容（Input Capacitance）Ciss=Cgd+Cgs

輸出電容(Output Capacitance) CDSS=Cgd+Cds

逆導(dǎo)電容( Reverse Transfer Capacitance） Crss＝Cgd

根據(jù)上面的公式可以得到此款7843的Cgs=4200-770=3430pf,約等于3.5nf。

寄生電感

為了更好地理解后面的仿真過(guò)程，這里還需要補(bǔ)充一個(gè)點(diǎn)，那就是寄生電感，有關(guān)其介紹可以參考此文：寄生電感怎么產(chǎn)生的_寄生電感產(chǎn)生原因是什么。

仿真

了解了寄生電感和寄生電容后，就可以開(kāi)始仿真了，這里只是為了說(shuō)明現(xiàn)象，定性的分析，所以參數(shù)設(shè)定方面就不是很嚴(yán)謹(jǐn)。這里筆者選用的寄生電感取值為100nH，寄生電容取值為3.5nF，MOS選用NMOS，控制信號(hào)為1KHZ，占空比為10%的PWM波形。

仿真1柵極串接小電阻

這個(gè)仿真旨在說(shuō)明MOS控制的柵極串接小電阻R2的作用，根據(jù)前面的分析，我們知道，在實(shí)際的MOS電路中存在寄生電感和寄生電容，等效后可以得到如下圖所示的仿真電路。

可以發(fā)現(xiàn)，在加入柵極電阻后組成了一個(gè)RLC電路，根據(jù)基爾霍夫定律，在0初始條件下進(jìn)行拉氏變換可以得到如下傳遞函數(shù)。

其中ωn是無(wú)阻尼自然振蕩角頻率；ζ是系統(tǒng)阻尼比，根據(jù)傳遞函數(shù)，由于電路固定，元器件也固定，所以ωn是固定的，ζ是可以隨著電阻的增加而增加的。在自動(dòng)控制原理對(duì)典型二階系統(tǒng)的描述中可以知道，ζ在不同范圍，系統(tǒng)輸出會(huì)有不同的狀態(tài)：

0<ζ<1:欠阻尼狀態(tài)

ζ=1：臨界阻尼狀態(tài)

ζ>1: 過(guò)阻尼狀態(tài)

最佳阻尼比為ζ=0.707。

當(dāng)R2=2.2Ω，未反向并聯(lián)二極管時(shí)

柵極驅(qū)動(dòng)的實(shí)際波形如下：

此時(shí) ζ=0.021，屬于欠阻尼狀態(tài)，超調(diào)量大約為50%，調(diào)節(jié)時(shí)間大約為580ns，出現(xiàn)了振鈴現(xiàn)象。

可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)上升沿會(huì)存在超調(diào)量，并且超調(diào)量很大，如果，管子耐壓值不夠，很可能會(huì)因?yàn)檫@個(gè)超調(diào)量而損壞。

同樣，下降沿位置也出現(xiàn)了超調(diào)，如果這個(gè)超調(diào)量過(guò)大，達(dá)到了MOS的導(dǎo)通電壓，很可能會(huì)使MOS在本該關(guān)閉的時(shí)間出現(xiàn)誤導(dǎo)通，這對(duì)于用MOS組成的H橋和三相橋電路來(lái)說(shuō)是致命的，如果這個(gè)誤導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)度超過(guò)了設(shè)定的死區(qū)時(shí)間，就會(huì)出現(xiàn)上橋臂和下橋臂同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)間，就相當(dāng)于直接將功率部分的電源正和電源負(fù)直接短接，一瞬間的電流足以點(diǎn)亮你的MOS管。

所以為了保護(hù)電路安全，我們必須盡可能的降低超調(diào)量，消除柵極驅(qū)動(dòng)的振鈴現(xiàn)象。

當(dāng)R2=4.7Ω，未反向并聯(lián)二極管時(shí)

柵極驅(qū)動(dòng)的實(shí)際波形如下：

此時(shí) ζ=0.4396，還是屬于欠阻尼狀態(tài)，超調(diào)量大約為21%，調(diào)節(jié)時(shí)間大約為370ns。

上升沿：

下降沿：

當(dāng)R2=7.56Ω，未反向并聯(lián)二極管時(shí)

此時(shí)ζ=0.707，為自動(dòng)控制原理中的最佳阻尼比，這里只是單純展示一下最佳阻尼比時(shí)系統(tǒng)輸出的狀態(tài)，需要強(qiáng)調(diào)的是此取值并不是實(shí)際系統(tǒng)中的最佳值。

此時(shí)上升沿的超調(diào)量為5%，調(diào)節(jié)時(shí)間ts=180ns。

當(dāng)R2=10.7Ω，未反向并聯(lián)二極管時(shí)

柵極驅(qū)動(dòng)的實(shí)際波形如下：

此時(shí) ζ=1，還是屬于臨界阻尼狀態(tài)，超調(diào)量消失了，振鈴也消失了，調(diào)節(jié)時(shí)間大約為153ns。

下降沿波形：

可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)的電阻值已經(jīng)滿足了我們的期望，沒(méi)有振鈴，也沒(méi)有超調(diào)，那么繼續(xù)加大電阻，使系統(tǒng)變?yōu)檫^(guò)阻尼狀態(tài)，會(huì)有什么現(xiàn)象呢？

當(dāng)R2=15Ω，未反向并聯(lián)二極管時(shí)

ζ=1.403，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)還是沒(méi)有超調(diào)和振鈴，但是調(diào)節(jié)時(shí)間ts還增加了，這對(duì)于我們的MOS控制來(lái)說(shuō)并沒(méi)有好處，上升時(shí)間越長(zhǎng)，MOS處于半開(kāi)半關(guān)狀態(tài)的時(shí)間也越長(zhǎng)，MOS發(fā)熱就會(huì)比較嚴(yán)重，具體講解可以查看一下視頻：

【讓MOS燒的值得 振鈴,雜散電感知識(shí)講解-嗶哩嗶哩】
【一個(gè)公式都沒(méi)有 MOS米勒電容的通俗講解-嗶哩嗶哩】

仿真2柵極串接小電阻+反并聯(lián)二極管

在柵極驅(qū)動(dòng)電路中，除了上面提到的電阻R2外，很多方案都會(huì)添加一個(gè)反并聯(lián)二極管，那么增加這個(gè)二極管的作用是什么呢?

仿真電路如下：

當(dāng)R2=10.7，并聯(lián)二極管時(shí)

柵極驅(qū)動(dòng)的實(shí)際波形如下：

上升沿（并聯(lián)二極管）：

上升沿（未并聯(lián)二極管）：

可以發(fā)現(xiàn)增加二極管后對(duì)上升沿沒(méi)有影響。

下降沿波形（并聯(lián)二極管）：

下降沿波形（未并聯(lián)二極管）：

觀察下降沿，可以發(fā)現(xiàn)，比沒(méi)有并聯(lián)二極管的電路而言，下降沿出現(xiàn)了一個(gè)反向電壓，這樣有利于MOS的迅速關(guān)斷，能夠進(jìn)一步保護(hù)MOS。

其他方案

除了上述處理方法外還可以在柵極加入RC電路來(lái)消除振鈴和超調(diào)，具體講解參考此視頻?！綥C串聯(lián)諧振的經(jīng)典應(yīng)用_mos管驅(qū)動(dòng)電路為什么要加一個(gè)小電阻？-嗶哩嗶哩】

MOS管及其外圍電路設(shè)計(jì)。

總結(jié)

有關(guān)MOS柵極驅(qū)動(dòng)的介紹就記錄至此，文中如有不妥之處歡迎批評(píng)指出。

參考文獻(xiàn)

模擬電子設(shè)計(jì)導(dǎo)論 楊艷 傅強(qiáng)

自動(dòng)控制原理 吳懷宇

原文鏈接：

https://blog.csdn.net/qq_41954556/article/details/125594981