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高速MOS驱动电路设计和应用指南

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寄生部分的影响

对开关性能最有深远的影响是源极电感系数。在一个典型的电路中,寄生电感有两个来源,一是MOSFET封装时的封装接线;二是在源极端和共地端的印刷电路板线的电感。当高频滤波电容的负极和门驱动的旁路电容在功率级时通常要考虑这些。在源极的一系列电流检测电阻也会对前两部分电路增加额外的电感。

开关过程中有两个机制,这包括源极电感。在开关转换的开始,栅极电流慢慢增大(由图4和图5可得知)。这个电流必须流经源极电感,而且会变慢,这取决于电感值。因此,MOSFET的输入电容的充放电时间将会变长,这主要会影响导通延迟和截止延迟(第一阶段)。此外,源极电感和电容CISS组成共振电路,如图7所示。

震荡电路随着门驱动电压波形的陡峭边沿而消失,而且他是门驱动电路中导

致可观察的到的毛刺波形的基本原因。幸运的是,源极电感和电容CISS之间较大的Q值将会使震荡衰减,另外,回路中的一系列的电阻(包括输出驱动部分、外部栅极电阻、内部栅极网格电阻)也会使震荡衰减。使用者唯一可以调节的电阻,RGATE可以为达到最佳状态而计算出来:

小一点的阻值电阻将会导致门驱动电压波形的一个毛刺,但也会加快开启速度。大点阻值的电阻对震荡不会衰减而且会加大开关时间,这对门驱动设计没有任何的帮助。

源极电感的第二个影响是器件漏极电流迅速变化时的一个负反馈。这个影响

在导通过程的第2个阶段和截止过程的第3个阶段会出现。在这些阶段中,门电压介于VTH和VGS,Miller之间,而门电流由驱动部分电压决定(VDRV~VGS)。为了使漏极电流增加的快些,源极电感上必须加上必要的电压。这个电压减少了可用的驱动电压,这将会降低漏极电流变化率。较低的漏极电流变化率使得源极电感需要的电压变小。由此会建立一个由源极电感负反馈导致的栅极电流和漏极电流变化率之间的微妙的平衡。

在开关网络中的另外一个寄生电感是漏极电感,它也由几部分组成。它们是

封装电感、所有的互联电感、在孤立电源中变压器的漏电感。它们的影响可以合并到一块,因为他们之间是相互连接的。它们在MOSFET中作为导通阻尼器。在导通期间,它们限制漏极电流变化而且通过公式LD·di/dt来减小器件上漏源极电压。事实上,LD可以减小导通时的开关损耗。虽然较大的LD对导通过程有用,但是会在截止时(当漏极电流必须快速下降时)产生相当大的问题。为了使截止时漏极电流能迅速减小,关于导通时的一个反方向电压必须加到电感LD上。这个电压比VDS(off)要高,这将会引起漏源电压的一个毛刺,而且会增加截止开关损耗。

精确的关于完整开关过程机制的分析包括寄生电感的影响可见相应文献,但

这些点超出了本篇论文的范围。

接地门电路驱动

PWM直接驱动

在电源供给应用中,驱动门开关晶体管最简单的方法就是利用PWM控制器,

如图8所示。

在直接驱动中最困难的是如何使电路布线最优化。如图8所示,在PWM和MOSFET间有相当大的距离。这段距离会引起由门驱动和地之间回路造成的寄生电感,这将会降低开关速度和引起在MOSFET驱动波形中的噪声。即使使用地线层,寄生电感也不能被消除,因为地线层仅比地回路的寄生电感小些而已。为了减小门驱动连线的寄生电感,一个比较宽的PCB布线是必须的。直接驱动的另一个问题是PWM控制器的电流驱动能力。这将限制由PWM控制器驱动的在最佳工作状态的芯片的最大尺寸。使用PWM直接驱动MOSFET的另一个限制因素是驱动器内部的功率损耗。如前所讨论的,一个外接栅极电阻可以解决这个问题。当直接驱动电路需要考虑空间限制或者成本限制时,这就需要对控制器的布线进行仔细的考虑和分析。驱动MOSFET的电流过高可能会破坏PWM内部敏感的模拟电路。随着MOSFET的尺寸的变大,对应的栅极驱动电荷也会增加。旁路电容的选择也需要比原来的选择0.1uF或1uF的旁路电容更加科学的方法。

旁路电容的选择

在这一章将要分析论证MOSFET旁路电容的选择。这个电容和直接驱动应用电路中的PWM控制器的旁路电容一样,因为在导通时它提供栅极驱动电流。假如在一个孤立的驱动电路中,无论是一个IC还是孤立的元件的门驱动,这个电容必须放得很近,直接接在偏置端和地线间更好。

这里有两部分电流需要考虑。一个是静态电流(即无信号输入电流),它可

能变化10倍多,在一些集成电路的输入状态下。它本身就会在旁路电容上产生一些纹波,计算公式为:

这是假设静态电流在比较大的情况下得到的。

另一个波动成分是栅极电流。尽管大多数情况下不知道实际电流振幅,但是

由栅极电荷量可得知旁路电容产生的电压纹波值。在导通期间,旁路电容放电给栅极提供电荷,而且最后转移到MOSFET的输入电容上。因此有纹波如下公式:

使用叠加原理和这些公式,旁路电容CDRV在允许范围内的电容值的公式为:

式中IQ,HI是最大静态电流,DMAX是最大占空比,fdrv是工作频率,QG是栅极总电荷,这些是建立在门驱动电压幅值和漏源电压为0的状态下。

驱动保护

在使用双极型晶体管作为输出级和直接驱动的另一个需要做的事情是为双

极型晶体管的输出提供适当的保护,这主要是针对反向电流的。如图9简化图解,集成电路的输出级是使用npn晶体管,这是由于他们的高效区和比较好的性能。

图中的每个npn晶体管只能控制一个电流方向。上面那个可以控制拉电流但不能控制灌电流,下面那个恰好相反。在MOSFET的导通和截止时源极电感和MOSFET的输入电容之间不可避免的波动迫使电流输出时要向两个方向流动。为了给反向电流提供一个回路,就需要一个正向导通压降低的肖特基二极管来保护输出电路。这个二极管必须与输出端和驱动的旁路电容端放的很近。有必要指出,二极管仅保护驱动电路,对控制栅源电压噪声无效,尤其是直接驱动中芯片和MOSFET的栅源终端离得比较远的情况。

双极型晶体管推拉式驱动

MOSFET驱动最流行的和最划算的就是晶体管同相的推拉式驱动,如图10.

高速MOS驱动电路设计和应用指南

寄生部分的影响对开关性能最有深远的影响是源极电感系数。在一个典型的电路中,寄生电感有两个来源,一是MOSFET封装时的封装接线;二是在源极端和共地端的印刷电路板线的电感。当高频滤波电容的负极和门驱动的旁路电容在功率级时通常要考虑这些。在源极的一系列电流检测电阻也会对前两部分电路增加额外的电感。开关过程中有两个机制,这包括源极电感。在开关转换的开始,栅极电流慢慢
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