MOSFET驱动参数对电磁干扰影响的研究

MOSFET驱动参数对电磁干扰影响的研究

胡聪，霍星星

广东恩博力电器有限公司 广东 中山528400

摘要：基于MOSFET的特性，采用理论分析驱动电阻对其开关过程的影响。然后根据双脉冲实验测试及“Datasheet+双脉冲”仿真分析不同驱动电阻下对MOSFET开关特性的影响，仿真结果与实测结果高度吻合，证明了仿真模型的可行性和正确性，为合理选择MOSFET的驱动电阻和初期降低电磁干扰问题提供了依据。最后采用驻车空调样机验证MOSFET驱动参数对电磁干扰的影响。

关键词：双脉冲；MOSFET；驱动电阻；EMI

The Effect of MOSFET Driver Parameters on Electromagnetic Interference

Hu Cong，Huo Xingxing

Guangdong Elboni Electric Appliance Co.，Ltd

Abstract: Based on the characteristics of MOSFET, the influence of driving resistance on its switching process is analyzed theoretically. Then, according to the double pulse experimental test and "datasheet + double pulse" simulation, the influence of different driving resistance on the switching characteristics of MOSFET is analyzed. The simulation results are highly consistent with the measured results, which proves the feasibility and correctness of the simulation model, and provides a basis for reasonably selecting the driving resistance of MOSFET and reducing electromagnetic interference in the initial stage. Finally, the parking air conditioner prototype is used to verify the influence of MOSFET driving parameters on electromagnetic interference.

Keywords: Dual pulse; MOSFET;Drive resistor;EMI

0引 言

MOSFET是电压控制型器件，不仅有自关断能力，而且还具有驱动功率小、驱动电路简单、开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点[1]。由于易于驱动，且开关频率科高达500kHz，特别适用于高频化电力电子装置，如应用于DC/DC变换、开关电源、空调、航空航天以及汽车等电子电器设备中[2-3]。

但是由于MOSFET快速开关特性，在开关过程中会产生大的dv/dt和di/dt，通过作用于电路中的寄生参数，会产生很强烈的电磁干扰（Electromagnetic interference，EMI），并通过传导与辐射的方式影响自身以及其他设备[4-5]。因此需要对MOSFET开关过程进行分析，同时也需要对MOSFET的特性进行分析，而对MOSFET的特性的分析离不开对驱动参数的研究[6-7]，研究其导通和关断过程中驱动参数对电流电压变化的影响。

文献[8]通过实验的方法研究了驱动回路、主回路以及共源极杂散电感对MOSFET开关特性的影响。文献[9]分阶段对MOSFET的开通关断过程建立了分析模型，比较全面地研究了杂散电感、器件结电容以及驱动电阻对开关特性的影响，并进行了实验验证。文献[10]针对目前反激式开关电源传导干扰问题较为严重的现象，建立了电路的传导干扰仿真模型，得到了电路的传导干扰仿真波形。通过软件仿真结果与硬件电路的传导干扰波形测试结果相对比，验证了模型的适用性。

通过上述分析，现阶段大部分只是单纯的研究驱动参数对MOSFET影响，或者研究开关电源工作过程中电磁干扰问题的影响，并没有针对实际问题把二者结合起来进行分析。因此，本文针对上述问题，首先分析影响MOSFET开关瞬态过程中关键参数。然后通过双脉冲实验分析不同驱动电阻对MOSFET开关特性的影响，并在电路仿真软件中建立双脉冲仿真电路，通过实验验证了仿真模型与实际测试结果高度一致，最后采用样机验证MOSFET驱动参数对电磁干扰影响。

1MOSFET开关过程分析

为了简化分析，本节主要以MOSFET为对象，分析驱动参数对MOSFET开关过程中的影响。如图1所示为MOSFET内部等效模型，续流回路由续流二极管组成，寄生元件主要考虑栅源电容Cgs、栅漏电容Cgd、漏源电容Cds。

图1 MOSFET内部等效电路模型

1.1 开通过程分析

导通信号到来时，驱动器输出正向驱动电压，开始向MOSFET栅极电容充电，栅源电压vgs慢慢达到导通阈值电压vgsth，MOSFET中开始导通漏极电流id。当栅源电压vgs大于导通阈值电压vgsth时， 可得漏极电流id上升斜率为：

（1）

其中，gm表示为MOSFET跨导，ig表示为驱动电流，Cgs表示为栅源电容。

当漏极电流id上升到最大值imax时，漏源电压vds开始下降，驱动电流ig通过米勒电容Cgd充电，漏源电压vds下降速率可以表示为：

（2）

其中，cgd表示米勒电容。

此时栅源电容Cgs两端的电压基本维持不变，栅源电压vgs等于米勒平台电压vmil可表示为：

（3）

此时的驱动电流ig为

（4）

其中，von表示开通驱动电压，驱动电阻Rg。

结合公式（1）（4）联立可得：

（5）

结合公式（2）（3）（4）联立可得：

（6）

1.2 关断过程分析

关断信号到来时，驱动器输出负向关断电压，MOSFET栅极电容开始放电，栅源电压vgs下降至米勒平台电压vmil，与开通过程类似，同理可得关断过程漏源电压vds上升速率可以表示为：

（7）

其中，voff表示关断驱动电压。

同理可得到漏极电流id下降斜率为

（8）

基于上述分析可知，MOSFET开关过程主要受驱动电阻Rg影响，通过改变驱动电阻Rg可以改变栅极回路的充放电时间常数。然而上述分析推导建立在假设的条件下，考虑到理论与实际的差异性，有必要通过仿真和实验更加进一步分析驱动电阻Rg对MOSFET开关过程的影响。

2双脉冲实验测试

2.1 双脉冲实验基本原理

双脉冲实验是一种测试功率器件开关特性的方法，通过双脉冲测试可准确获取MOSFET在实际工作下的重要特性参数[11-12]。其实验电路拓扑图如图2所示。其构成主要包括直流电压源Vdc、电感L、开关管Q1、Q2。

T1阶段：开关管Q2导通，电感L两端的电压升至Vdc，电感电流线性上升。

T2阶段：开关管Q2关断，电感电流经开关管Q1的反并联二极管续流，此时电感电流几乎不变。

T3阶段：开关管Q2再次导通，电感继续储能，电感电流继续上升，高电平结束，开关管Q2关断。

图2双脉冲测试电路原理图

2.2 双脉冲实验测试结果分析

为了进一步分析驱动电阻Rg对MOSFET开关过程的影响，搭建双脉冲实验平台，其测试结果如图3所示。图3a是不同驱动电阻下漏源极电压Vds开通波形，当R=100Ω时，开通时间约为488ns；当R=200Ω时，开通时间约为960ns；当R=300Ω时，开通时间约为1.18us。图3b是不同驱动电阻下Vds关断波形，当R=100Ω时，关断时间约为340ns；当R=200Ω时，关断时间约为530ns；当R=300Ω时，关断时间约为712ns。随着Rg增大，MOSFET开关过程中产生的振荡、峰值时间以及恢复时间越小；随着Rg减小，MOSFET开关过程中产生的振荡、峰值时间以及恢复时间越大。

a Vds开通波形

b Vds关断波形

图3双脉冲实验测试波形

综上所述，随着驱动电阻Rg增大，MOSFET的开通速度、关断速度都降低，开关速度慢，会导致器件的开关损耗增加。随着驱动电阻Rg减小，开关速度快，电路中dv/dt和di/dt都变大，会使开关过程中的振荡加剧，增大开关损耗，甚至损坏器件。同时，过大的dv/dt和di/dt会导致电路中的电磁干扰问题严重，对驱动电路、系统控制电路等都可能产生影响。

3双脉冲仿真模型

3.1 MOSFET仿真模型

MOSFET模型建立的方式有实测法和仿真法。实测法模型精度高但输入困难，仿真输入法获取容易但是模型精度差。本文结合实测法和仿真法各自的优势，建立MOSFET模型。

首先通过双脉冲实验测试，准确获取MOSFET在实际工作下的重要特性参数，再通过电路仿真软件将双脉冲实验测试获得的重要特性参数曲线与英飞凌公司提供的Datasheet（数据表图4所示）中的参数联合建模，形成一种“Datasheet+双脉冲”的MOSFET动态特性建模方式，MOSFET模型精度大幅度提升，且导通关断特性也更加准确。

图4 Datasheet参数曲线

3.2 双脉冲仿真模型与实验结果对比

在电路仿真软件中搭建如图2所示双脉冲测试仿真电路，仿真电路中的MOSFET采用上述所建模型。不同Rg下MOSFET开通关断漏源极电压Vds的仿真与实验波形对比，如图5、图6所示。随着Rg增大，MOSFET开关过程中产生的振荡、峰值时间以及恢复时间越小。

仿真结果与实验结果呈现的变化趋势相一致，但是数值上存在一定的偏差。根据实际情况分析主要有以下三点原因：(1)仿真模型无法准确考虑驱动回路中的杂散参数；(2)英飞凌公司提供的Datasheet（数据表）数据较少，无法更加精确的建模；(3)仿真模型相对于实际测试电路过于粗略。尽管如此，仿真结果与实验结果变化趋势的一致性，证明了该仿真模型及其建模方法的正确性，且该仿真模型易于研究和搭建，为合理选择驱动电阻

Rg提供了依据，从而就可以在初期降低电磁干扰问题。

图5不同Rg下仿真与实验Vds开通波形对比

图6不同Rg下仿真与实验Vds关断波形对比

4样机实验测试

为进一步研究MOSFET驱动电阻对电磁干扰的影响，搭建了驻车空调样机平台进行辐射发射测试。将被测设备（EUT）置于半电波暗室内部，辐射信号由接收天线接收后，通过电缆传到电波暗室外的接收机。采用的辐射发射测试标准为GB 34660，其示意图如图7所示。

图7辐射发射测试布置图

本驻车空调样机结构为24V直流供电，主要有内外风机、压缩机三个驱动模块，本文主要对内外风机驱动模块MOSFET的外围驱动电阻R1-R6进行改动，其内风机和外风机驱动模块逆变部分都如图8所示，所使用的MOSFET型号为IRFR7540PbF。

图8内外风机驱动模块逆变部分

从图9中可以看出在频率40MHz左右，驱动电阻Rg=100Ω时，峰值PK值超出限值10.77dB，平均值AV值超出限值8.72dB；驱动电阻Rg=200Ω时，峰值PK值超出限值8.65dB，平均值AV值超出限值6.45dB；驱动电阻Rg=300Ω时，峰值PK值余量3.09dB，平均值AV值余量7.5dB。综上所述，随着驱动电阻Rg的增大，EMI电磁干扰问题可以得到一定的改善。因此通过MOSFET驱动参数对电磁干扰影响的研究，可以在初期对电磁干扰进行预测，了解电磁干扰的特性，据此提出更完善、更先进的抑制措施，从而提高设备或系统性能以及降低成本。

图9改变驱动电阻辐射发射测试图

5结论

本文对MOSFET开关过程进行理论分析，得到MOSFET开关过程主要由驱动电阻Rg决定。为验证其理论的正确性，采用双脉冲实验和仿真进一步研究。先通过双脉冲实验测试，分析不同驱动电阻对MOSFET开关特性的影响，同时得到MOSFET实际工作下的重要特性参数；然后根据“Datasheet+双脉冲”动态特性建模方式，建立MOSFET等效模型及双脉冲仿真电路，仿真模型与实际测试结果高度一致，证明了仿真模型的可行性和正确性。最后采用驻车空调样机验证MOSFET驱动参数对电磁干扰的影响。

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