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高速MOS驱动电路设计和应用指南

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像所有的外部驱动一样,这种电路对控制电流毛刺、功率损耗有效,这对PWM控制更有利。当然,它们可以而且应该紧挨所驱动的功率MOSFET放置。这样使得驱动栅极的电流变化在一个小的范围内,减小了寄生电感的值。即使驱动由分立元件组成,也需要把旁路电容放置在上部npn管子和下部pnp管子之间。理想情况下,在驱动的旁路电容和PWM控制器的旁路电容之间可以放置一个滤波电阻或电感,这可增加电路抗干扰能力。图10中RGATE是可选的,RB可以由驱动晶体管的放大倍数而计算得来,以此来提供所需的栅极阻抗。

推拉式三极管驱动有个有趣的性能,那就是两个基射结可以相互保护,防止

反向击穿。此外,假设回路区域比较小,RGATE可以被忽略,那么使用基射三极管就可以把栅极电压锁定在VBIAS+VBE和GND-VBE之间。这种解决方案的另一个好处是:在同样的锁定机制下,npn-pnp推拉式驱动不需要任何肖特基二极管保护来防止反向电流。

MOSFET 推拉式驱动

使用MOSFET电路和使用晶体管是等价的,如图11所示。

不幸的是,这个电路和晶体管推拉式电路相比有一些缺点,这就解释了为什么它很少被分散的使用。图11所示为一个反向驱动,因此PWM控制器的信号也必须反向一下。此外,合适的MOSFET要比晶体管贵很多,而且当他们的栅极电压在转变时会有很大的电流流过它们。这个问题可以通过增加额外的逻辑或者定时电路来避免,这些技术在IC中被广泛的使用。

提速电路

当提到提速电路,设计者唯一的能想到的电路就是加快MOSFET关断过程

的电路。原因是导通速度通常受关断速度限制,或者说是受电源中整流器部分反向恢复速度限制。在图3的电感箍紧模型的讨论中,MOSFET的导通和整流二极管的截止是相符合的。因此,快速的开关决定于二极管的反向恢复特性,而不是驱动电路的能力。在一个最优的设计中,栅极导通的驱动速度和二极管开关特性相符的。另外,考虑Miller平坦区是更加靠近GND而不是栅极最终驱动电压VDRV,输出阻抗和栅极阻抗上可以得到一个更高的电压。通常情况下所获得的导通速度足够来驱动MOSFET了。

在关断上情况就大大的不一样了。理论上,MOSFET的关断速度仅仅依赖于

栅极驱动电路。一个关断时电流比较大的电路能够使输入电容放电更快些,提供更短的截止时间和更小的截止损耗。大的放电电流可以通过低输出阻抗的

MOSFET或者一个n沟道负的截止电压的器件来实现。虽然较快的开关速度可以降低开关损耗,但是加速电路会增加波形的噪声,这是由MOSFET关断时较大的电压变化率和电流变化率引起。这在选择合适的额定电压和电磁干扰防范上需要考虑的。

截止二极管

下述的关于截止二极管电路的例子是在简单的以地位参考的栅极驱动电路

中论证的,但也适用于论文后面的电路。最简单的是反向并联二极管技术,如图12所示。

在这个电路中,RGATE可以调节MOSFET的开启速度。在关断期间,反向二极管分流。仅当栅极电流高于下式值时,

DOFF开始工作。1N4148的典型值约为150ma,BAS40,反向肖特基二极管的为300ma左右。因此,当栅源电压接近0时,二极管的作用越来越小。最终结果是,这个电路会显著的减小截止时间的延迟,但仅是在开关时间和dv/dt能力上有所帮

助而已。另一个缺点是栅极关断电流仍然必须流经驱动的输出阻抗。

Pnp关断电路

毋庸置疑的,快速关断电路中最流行的设置就是使用局部pnp关断电路,如

图13所示。

在QOFF的帮助下,MOSFET关断时栅极和源极局部短路。RGATE限制开关速度,

而DON为导通电流提供回路。另外,DON在开始导通时还为三极管QOFF的基射结提供保护,防止被反向击穿。

这个方案最大的好处是MOSFET输入电容的放电峰值电流被限制在最小的

可能的回路(两个晶体管的栅源连接和集射连接)中。关断电流不再流入驱动器中,它不会再引起接地反弹问题,而且驱动的功率损耗也会减小1/2。关断三极管的分流包括栅极驱动环形电感、电流采样电阻、和驱动输出阻抗。此外,QOFF从不饱和,这对迅速的开关是十分的重要的。仔细观察电路,可发现这个解决方案是一个简单的推拉式驱动,其中上拉npn晶体管被一个二极管代替。和推拉式驱动相似,MOSFET栅极电压被关断电路近似的锁定在VDRV+0.7和GND-0.7之间,消除了栅极多余电压的危险。电路的唯一的缺点是由于QOFF的结压降使得

栅极电压不能达到0。

Npn关断电路

要分析的下一个电路是npn局部关断电路,如图14所示。

和pnp方案类似,栅极放电电流也是被限制在局部的。Npn晶体管比pnp晶体管更靠近地端。而且,这样放置可以提供一个自给偏压使在加电时MOSFET仍为截止的。

不幸的是,这种电路有一些重大的缺点。Npn关断晶体管QOFF是反向状态,

这就需要通过QINV来提供一个反向的PWM信号。在MOSFET导通时,反相器从驱动中分走一部分电流,这降低了电路的效率。此外,QINV的饱和在门驱动时将会使关断延迟变大。

Nmos关断电路

这是一个改进,遵循较少元件原则,如图15所示,使用一个双驱动为一个

小的n沟道晶体管提供PWM信号。

高速MOS驱动电路设计和应用指南

像所有的外部驱动一样,这种电路对控制电流毛刺、功率损耗有效,这对PWM控制更有利。当然,它们可以而且应该紧挨所驱动的功率MOSFET放置。这样使得驱动栅极的电流变化在一个小的范围内,减小了寄生电感的值。即使驱动由分立元件组成,也需要把旁路电容放置在上部npn管子和下部pnp管子之间。理想情况下,在驱动的旁路电容和PWM控制器的旁路电容之间可以放置一个滤波电阻或电感,这可增加电
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