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功率MOSFET驱动电路的设计

2017-05-06  共同成长8...

功率MOSFET驱动电路的设计


功率MOSFET驱动电路
功率MOSFET驱动电路(图1)

在上篇的文章中,已经为大家讲解过功率MOSFET保护电路设计的内容了,相信大家都了解它的设计特点了吧。今天小编将为大家讲解功率MOSFET新的知识,下面就为大家重点的说明功率MOSFET驱动电路的设计内容。

功率场效应晶体管的栅极对驱动电路的要求主要有以下几个方面:
 
1)产生的栅极驱动脉冲必须具有足够的上升和下降速度,脉冲的前后沿要陡峭:

2)开通时以低电阻对栅极电容充电,关断时为栅极电荷提供低电阻放电回路,以提高功率MOSFET的开关速度;

3)为了使功率MOSFET可靠导通,栅极驱动脉冲应有足够的幅度和宽度;

4)功率MOSFET开关时所需的驱动电流为栅极电容的充放电电流,为了使开关波形有足够的上升下降陡度,驱动电流要大。

MOSFET驱动器在驱动MOSFET功率管的功耗主要包括3个方面:

1)MOSFET栅极电容的充电放电产生的功耗为:

Pc=CG×F×V2DD      (1)

其中:CG为MOSFET栅极电容;VDD为MOSFET驱动器电源电压;F为开关频率。

2)MOSFET驱动器吸收静态电流产生的功耗为:

PQ=(IQH×D+IQL(1-D))×VDD     (2)

其中:IQH为驱动器输入为高电平状态的静态电流;D为开关波形的占空比;IQL为驱动器输入为低电平状态的静态电流。

3)MOSFET驱动器交越导通电流产生的功耗为:

PS=CC×F×VDD       (3)

其中:CC为交越常数。

从上述公式可以推导出,在3部分功耗中其中栅极电容充放电功耗在MOSFET驱动器功耗中占的比例最高,特别是在很低的开关频率时。同时根据公式减小栅极驱动电压可以显著减少驱动器的功耗。

在应用中使MOS管驱动器与MOS管匹配主要是根据功率MOS管导通和截止的速度快慢即栅极电压的上升和下降时间,也即是MOS管栅极电容的充放电速度。MOS管栅极电容导通与截止的时间与MOS管驱动器的驱动电流的关系可以表示为:

T=(VxC)/I     (4)

其中:T表示导通与截止时间,V表示MOS管栅极源极两端的电压,C表示栅极电容,I表示驱动器峰值驱动电流。

功率MOSFET驱动电路
功率MOSFET驱动电路(图2)

根据栅极电压与栅极电容的乘积为栅极电荷Q则上式可转化为T=Q/I。本设计从其datasheet可以得到MOSFET的栅极电荷为26 nC,导通/截止时间为106 ns,可以得到峰值驱动电流为,驱动电压为12 V,本设计驱动芯片可用来驱动工作在母电压不高于600 V的电路中的功率MOS门器件,其可输出的最大正向峰值驱动电流为250mA,输出驱动电压为10~20V而反向峰值驱动电流为500 mA。它内部设计有过流、过压及欠压保护、封锁和指示网络,使用户可方便的用来保护被驱动的MOS门功率管,加之内部自举技术的巧妙运用使其可用于高压系统,它还可对同一桥臂上下2个功率器件的门极驱动信号产生2μs互锁延时时间。它自身工作和电源电压的范围较宽(3~20 V),在它的内部还设计有与被驱动的功率器件所通过的电流成线性关系的电流放大器,电路设计还保证了内部的3个通道的高压侧驱动器和低压侧驱动器可单独使用,亦可只用其内部的3个低压侧驱动器,并且输入信号与TTL及COMS电平兼容。IR2130管脚如图2所示。

图2中HIN1~HIN3、LIN1~LIN3:逆变器上桥臂和下桥臂功率管的驱动信号输入端,低电平有效。CA-、CAO、VSO:内部放大器的反相端、输出端和同相端,可对主电路的电流进行检测。ITRIP:过流信号检测输入端,可通过输入电流信号来完成过流或直通保护。FAULT:过流、直通短路、过压、欠压保护输出端,该端提供一个故障保护的指示信号。它在芯片内部是漏极开路输出端,低电平有效。VB1~VB3:是悬浮电源连接端,通过自举电容和快速恢复二极管为3个上桥臂功率管的驱动器提供内部悬浮电源,其中快速恢复二极管的作用是防止母线电压倒流损坏器件,VS1~VS3是其对应的悬浮电源地端。HO1~HO3、LO1~LO3:逆变器上下桥臂功率开关器件驱动器信号输出端。

在实际应用中,IR2130的设计也有一些不合理之处,在使用中应特别注意。

1)IR2130的故障输出只有一个通道,在实际应用中很难判断是过流还是欠压故障,特别是在上电过程中,控制电源必然从0上升至某值,在此过程中,IR2130的故障输出端因内部欠压而动作,将此信号作为过电流信号去触发前级保护电路时,如果前级保护电路具有自锁功能,可能使电路无法起动。

2)由于IR2130的电流检测输入端直接与主电路连接,很容易引入干扰而使系统停机或出现异常,因此,电流检测电阻应采用无感电阻。

3)由于IR2130采用了不隔离的驱动方式,若主电路功率器件损坏,高压将直接串入IR2130,引起IR2130永久性损坏,严重时还会将IR2130前级电路击穿。

4)当IR2130的输入信号来自微处理器时必须采取隔离措施,由于IR2130具有高侧驱动功能,因此可使用普通光耦,以降低成本。

总之,当今社会是以创新为基础,科技为先导的飞速发展的社会,知识的飞跃日新月异,因此希望大家好好阅览以上功率MOSFET驱动电路的设计的内容,充实自己的知识宝库。

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