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如何将驱动器与MOSFET进行匹配

 陸号鱼 2019-09-11
佚名 发表于 2018-04-28 09:11:06
当今多种 MOSFET 技术和硅片制程并存,而且技术进 步日新月异。要根据 MOSFET 的电压 / 电流或管芯尺 寸,对如何将MOSFET驱动器与MOSFET进行匹配进 行一般说明,实际上显得颇为困难,甚至不可能。

与任何设计决策一样,在为您设计中的 MOSFET 选择 合适的 MOSFET 驱动器时,需要考虑几个变量。需要 考虑的参数至少需要包括输入至输出的传输时延、静态 电流、抗闭锁和电流驱动能力。驱动器的功率消耗也影 响着封装的决定和驱动器的选择。 本应用笔记将详细讨论与 MOSFET 栅极电荷和工作频 率相关的 MOSFET 驱动器功耗。还将讨论如何根据MOSFET 所需的导通和截止时间将 MOSFET 驱动器的 电流驱动能力与 MOSFET 栅极电荷相匹配。Microchip 提供许多不同种类的 MOSFET 驱动器,它们 采用不同的封装,因此可以使设计者为应用中的 MOS- FET 选择最合适的 MOSFET 驱动器。 

MOSFET 驱动器的功耗

对 MOSFET 的栅极进行充电和放电需要同样的能量, 无论充放电过程快或慢 (栅极电压的上升和下降)。因 此,MOSFET 驱动器的电流驱动能力并不影响由 MOS- FET 栅极的容性负载产生的驱动器功耗。

MOSFET 驱动器的功耗包含三部分:1. 由于MOSFET栅极电容充电和放电产生的功耗。 

从上述公式推导得出,三部分功耗中只有一个与MOSFET 栅极电容充电和放电有关。这部分功耗通常是 最高的,特别在很低的开关频率时。

为了计算公式 1 的值,需要知道 MOSFET 栅极电容。

MOSFET 栅极电容包含两个电容:栅源电容和栅漏电容 (密勒电容)。通常容易犯的错误是将 MOSFET 的输入 电容 (CISS)当作 MOSFET 总栅极电容。确定栅极电 容的正确方法是看 MOSFET 数据手册中的总栅极电容 (QG)。这个信息通常显示在任何 MOSFET 的电气特

性表和典型特性曲线中。

表 1 显示了 500V、14A、N 沟道 MOSFET 的栅极电容 在数据手册中的典型示例。要留意数据手册表中给出的 数值与它们的测试条件有关:栅极电压和漏极电压。这 些测试条件影响着栅极电荷的值。图 1 显示同一个 MOSFET 在不同栅极电压和漏极电压下栅极电荷的典 型特性曲线。应确保用来计算功耗的栅极电荷值也满足 应用条件。 

交越导通特性在MOSFET驱动器数据手册中显示为“交 越能量—电源电压”典型特性曲线。图 2 给出了这个曲 线示例。 

交越常数的单位通常为安培 - 秒(A*sec)。这个数值与 工作频率相乘得到平均电流值。图 2 证明了先前讨论的 这一点。也就是,当偏置电压增加时,交越常数也增加, 因此驱动器的功率消耗 (由于交越导通)也增加。反 之,减小驱动器电压导致驱动器功耗减小。

需要留意的一点是当使用双路驱动器时,交越常数通常
表示驱动器两部分的工作。如果只使用了驱动器的一部
分,或者驱动器的两部分工作在不同的频率,对于驱动
器每部分的计算,只需要采用这个值的一半。

以图 2 所示的信息为例,我们假设这是单输出驱动器, 工作VDD为12V,工作频率为250 kHz。基于上述曲线, 交越常数定为 5.2*10-9。

峰值电流驱动的需求

针对 MOSFET 驱动器的讨论主要是考虑内部和外部因 素而导致 MOSFET 驱动器产生功耗。所以必须计算出MOSFET 驱动器的功率损耗,进而利用计算值为驱动器 选择正确的封装和计算结温。

在应用中使 MOSFET 驱动器与 MOSFET 匹配主要是根 据功率 MOSFET 导通和截止的速度快慢 (栅极电压的 上升和下降时间)。任何应用中优化的上升 / 下降时间 取决于很多因素,例如 EMI(传导和辐射),开关损耗, 引脚 / 电路的感抗,以及开关频率等。

MOSFET 导通和截止的速度与 MOSFET 栅极电容的充 电和放电速度有关。 MOSFET 栅极电容、导通和截止 时间与 MOSFET 驱动器的驱动电流的关系可以表示 为: 

同时还需要考虑在 MOSFET 驱动器和功率 MOSFET 栅 极之间使用外部电阻,因为这会减小驱动栅极电容的峰 值充电电流。这种驱动的配置如图 4 所示。 

MOSFET 驱动器栅极驱动典型配置

使用 MOSFET 驱动器时可以采用许多不同的电路配置。 很多时候,由于高的峰值电流、驱动电压快的上升 / 下 降时间以及电路板上长走线引起的电感,需要考虑额外 的钳位电路。图 3 至图 6 显示了经常使用的栅极驱动电 路典型配置。 

图 6 显示了使用栅极驱动变压器的两种不同栅极驱动配 置。栅极驱动变压器可以用在高压或低压的应用中,从 而在控制电路和功率 MOSFET 之间提供隔离,而这种 隔离是为了满足安全要求,或者是提供高端浮空栅极驱 动。

图 6 中的电路 A 和电路 B 显示了单开关正激应用中使用 的栅极驱动变压器。与 MOSFET 驱动器输出和栅极驱 动变压器串联的电阻和电容用于平衡栅极驱动变压器的 电压 - 时间。由于栅极驱动变压器的电压 - 时间必须平 衡(对任何变压器都一样),在开关周期的截止时间内, 功率 MOSFET 的栅极被施加了一个负的栅源电压。很 多时候这会引起导通时开关时间延迟。如果不希望发生 这种情况,可以使用 B 中的电路配置。这个电路使用负 的栅极驱动电压来导通另外一个小信号 FET,进而短接 主功率 MOSFET 的栅源端子,使其完全截止,并使栅 极电压保持在 0V。A 和 B 中显示的驱动配置也可以用于 双开关的正激拓扑结构。

总结

在实际应用中,将适当的 MOSFET 驱动器与 MOSFET匹配时需要考虑许多参数。然而,遵循本应用笔记中介 绍的步骤就可以作出正确的选择。表 3可以作为通用的 指南来缩小选择的范围。

正如任何电子元件一样,没有一个器件能够适合所有的 应用,因此 Microchip 提供了不同标称电流、驱动输出 极性和输入逻辑配置的 MOSFET 驱动器。 

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