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高速MOS驱动电路设计和应用指南

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从低变到高时,电流开始从QSR转移到QFW上。一旦QFW上得电流达到满载电流,体二极管就完全恢复,开关点电压从GND变到输入电压水平。在这个转变过程中,QSR的电容CRSS开始充电,而且同步MOSFET易受导通时dv/dt的影响。总结这个MOSFET的独特的工作过程和它的栅极驱动,最重要的结论是同步MOSFET的导通和截止电压变化强加到器件上,这是由前级开关的特性(也就是开关速度)决定的。因此,两个栅极驱动电路应一同设计,以此来保证在任何工作条件下它们各自的速度和电压变化匹配。遵循下式可保证这一点:

假设QSR和QFW的管子一样,没有外接栅极电阻,而且内部栅极阻抗和驱动输出阻抗相比是微不足道的,那么,驱动输出阻抗的比例约为:

一个典型的例子,逻辑电平的MOSFET被一个10V的驱动信号驱动,那么此时的比率为0.417,这意味着QSR的下拉驱动电阻必须低于QFW上拉电阻的42%。当应用这些计算时,在设计中记住每个参数除了电压VDRV是温度相关的外它们的值必须适应最糟糕的工作条件。

高边非隔离栅极驱动

高边非隔离栅极驱动电路可以按所驱动器件类型分类,或者按所包含的驱动

电路分类。因此,它们是有差别的,无论是使用的P沟道还是N沟道的管子或

者是否为直接驱动、电平位移驱动、还是自举驱动。无论怎样,高边栅极驱动需要更多注意,下面涵盖了涉及中所有方面的表可能很有帮助: ·效率

·偏置/电源电压 ·速度限制 ·最大频宽比限制 ·dv/dt影响 ·启动条件 ·瞬态工作情况 ·旁路电容大小 ·布线、接地注意事项

P沟道器件的高边驱动

在这组电路中,P沟道MOSFET开关的栅极端和输入正极相连。对于栅极器

件,驱动器提供一个低电平导通信号给栅极。这意味着PWM控制器的输出必须进行反向而且为正极输入电路提供参考。由于输入电压可看做是一个直流电压源,因此,高边P沟道驱动器在开关频率基础上不会来回波动,但是他们必须工作在电压波动范围内。此外,由于栅极的低交流输入阻抗,驱动还得参考AC接地电位。

P沟道直接驱动

P沟道高边驱动的最简单的情况就是直接驱动,如果最大输入电压比栅源击

穿电压低,那么就可采用此种驱动。一个典型的应用领域就是使用P沟道MOSFET12V的DC/DC转换,和图18原理图类似。注意图中反向的PWM输出

信号,这在一些专用的P沟道驱动控制器中是很容易实现的。

器件的工作和N沟道接地直接驱动相类似。最大的不同就是栅极驱动电流的路径,此种电路中它从不流入地。相反的,栅极比较大的充电和放电电流由正极互联网络导电。以此,为使栅极环形电感最小,正极输入使用比较宽的线或一个层是比较令人满意的。

P沟道电平位移驱动

对于输入电压超过栅源电压范围的管子来说,多电平栅极驱动是必要的。最

简单的栅极驱动技术是使用一个集电极开路的驱动,如图19所示。不幸的是,集电极开路电平位移驱动器在高速应用直接驱动MOSFET是不合适的。

在一定的输入电压范围,这样连接会产生许多问题,这是由于集电极开路晶体管的额定电压。但是最大的抑制障碍就是大的驱动阻抗。两个电阻,ROFF 和RGATE的阻抗必须足够高以此来抑制在开关导通时驱动的恒流。此外,栅极驱动幅度取决于分压电阻和输入电压。开关速度和电压变化免疫受到严重限制,这使得这个电路与开关应用无缘。然而,这个简单的位移驱动可以用于涌入电流受限制或不需要考虑速度的开关驱动。

图20展示了一个栅极位移驱动电路,它对高速应用是适合的而且使用常见

的PWM控制器就可顺利的工作。集电极开路位移电路的工作原理在推拉式驱动级中是很简单的。在这个连接电路中电平位移器有两个作用,使PWM信号反向和给输入提供PWM信号参考。

电路的开关速度很快,由RGATE 和R2决定的。在开关导通时间,有很小的电流流入电平位移器,以此来使驱动在正常偏置下。栅极驱动的能量和位移器的电流都是功率级的正向输入提供,这部分通常是忽略的。

驱动的能量功耗和频率部分相关(这是建立在主开关栅极电荷上)、和频宽比有关、和输入电压有关(这是由于电流流入位移器)。

这个电路的一个缺点是电压VDRV是输入电压的函数,这是由于电阻R1和R2的分压。在大部分情况下,保护电路是用来阻止栅源端电压过高。另一个困难是npn位移器的饱和,这会增加截止时间(除了由R1和RGATE决定外)。幸运的是,这两个缺点可以通过把R2移动到QINV的发射极和GND之间而解决。最终电路在导通和截止时将会提供恒定的栅极电压和快速的、稳定的开关速度。驱动原理图中的dv/dt的抑制主要由电阻R1设置。一个低的阻抗可以提高防止dv/dt触发导通的能力但是这也增大了位移器的功率损耗。同时,注意这个解决方案在加电时有内部自给偏压装置。当PWM控制器还未工作时,QINV是截止的,主MOSFET的栅极电压低于开启电压(这由R1和推拉驱动电路的上一个npn晶体管决定)。尤其要注意的是飞速变化的电压变化,因为在MOSFET直接的状态下它可能引起dv/dt诱发导通。

高速MOS驱动电路设计和应用指南

从低变到高时,电流开始从QSR转移到QFW上。一旦QFW上得电流达到满载电流,体二极管就完全恢复,开关点电压从GND变到输入电压水平。在这个转变过程中,QSR的电容CRSS开始充电,而且同步MOSFET易受导通时dv/dt的影响。总结这个MOSFET的独特的工作过程和它的栅极驱动,最重要的结论是同步MOSFET的导通和截止电压变化强加到器件上,这是由前级开关的特性(也就是开关速度)决定的。因
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