POWER-MOSFET驱动技术

POWERMOSFET驱动技术POWERMOSFET直接驱动1POWERMOSFET自举驱动2POWERMOSFET隔离驱动3POWERMOSFET并联驱动4POWERMOSFET的结构N-MOSFET结构示意图POWERMOSFET等效模型动态模型：描述了dV/dt的影响开关模型：描述了MOSFET的重要寄生参数POWERMOSFET寄生参数,,,,2DSspecRSSaveRSSspecDSoffVCCV,,,,2DSspecOSSaveOSSspecDSoffVCCV,,,GDRSSaveGSISSRSSDSOSSaveRSSaveCCCCCCCCPOWERMOSFET开通过程to-t1:驱动通过Rgate对Cgs充电，Vgs电压以指数形式上升POWERMOSFET开通过程t1-t2:Vgs达到MOSFET开启门槛电压，MOSFET进入线性区，Id缓慢上升()dGSthfsIVVgPOWERMOSFET开通过程t2-t3:Id达到稳定值，Vgs固定不变，Vds电压开始下降，VDD给Cgd提供放电电流。（米勒效应）POWERMOSFET开通过程t3-t4:Vds下降到0V，MOSFET完全导通，VDD继续给Cgs充电，直至Vgs=Vdd,MOSFET完成开通过程。POWERMOSFET关断过程MOSFET的关断过程是开通过程的反过程。POWERMOSFET驱动电流0stgsgggsggQItQidtQItgsgdodgQQQQgefftRCgdrgVieRgdrgpkViR等效电路中的为等效输入电容，并不等于effCissCZVS电路中POWERMOSFET开通过程在ZVS电路或同步整流电路中，MOSFET驱动没有米勒平台。POWERMOSFET驱动电阻的影响增大驱动电阻的影响Time/uSecs100nSecs/div240240.1240.2240.3240.4Q1-G/V-024681012驱动上升变慢，开关过程延长，开关损耗增大。Q1V1R1I1D1V2Q1-GRgate增大Time/uSecs20nSecs/div450450.02450.04450.06450.08450.1450.12450.14450.16Q1-G/V-0246810121416POWERMOSFET驱动电阻的影响减小驱动电阻的影响驱动上升变快，驱动电压过冲增加，EMI变差Rgate增大Frequency/MHertz2MHertz/div0246810121416Spectrum(Q1-G)/V100n1u10u100u1m10m100m110Frequency/MHertz500kHertz/div00.511.522.533.54Spectrum(Q1-G(tran19))/V10u100u1m10m100m110POWERMOSFET驱动保护为防止误导通，G-S间应并一个电阻。通常为10K为防止关断时误导通，关断时G-S之间应提供一个低阻抗回路POWERMOSFET驱动保护常用的加速关断电路•电路简单•关断电流将流过芯片R1Q1ICU1CompGndOscRefvSenseVfbVoutVpD1U2CompGndOscRefvSenseVfbVoutVpQ2R2D2Q3•关断电流通过Q3构成回路，关断电流环路小•开关G极电位不能到0加速关断电路可以加快关断速度，减小关断损耗，同时在关断时给开关管提供低阻抗回路，防止误动作。POWERMOSFET自举驱动自举电路充电回路自举电路放电回路自举电路工作原理POWERMOSFET自举驱动自举电路元件参数计算1)由于上管所需的驱动能量来自于自举电容，因此自举电容的容量应足够大。2)由于自举二极管工作在高频开关状态，因此需选用高压快恢复二极管,,,max()LKDGQLSQDRVGSoffTOTALBOOTBOOTBOOTQIIIItQCVVGLKDQLSQDRVGSQ----------I-------I-------I------I----------G-S，，，其中：栅极电荷自举二极管漏电流内部电平转换静态电流自举电路静态电流间漏电流POWERMOSFET自举驱动占空比对自举电压的影响POWERMOSFET自举驱动源极负压对于电路的影响POWERMOSFET自举驱动减小源极负压对电路影响的方法能一定程度缓解源极负压对电路的影响，但是会使得自举电容充电时间常数变长能有效减小源极负压的影响，但是同样使得自举电容充电时间变长POWERMOSFET自举驱动减小寄生电感的方法•开关之间的走线不形成回路•减小开关管的走线长度•自举二极管应尽可能靠近自举电容•去耦电容和栅极驱动电阻应尽可能靠近栅极驱动集成电路。POWERMOSFET隔离驱动1DRVCDRVDRVDRVGSVVVDVDVVnnnMOSFET的驱动电压与占空比有关，应确保在最大占空比时有足够的驱动电压。POWERMOSFET隔离驱动1nCDGSDRVDDRVCGSVVVVVVVVn变压器匝比为1，MOSFET的G-S间电压与占空比无关。POWERMOSFET隔离驱动对于上下管占空比相等的隔离驱动，可以不需要隔直电容，但必须保证在任何情况下，驱动变压器不饱和。POWERMOSFET隔离驱动Time/mSecs200uSecs/div00.20.40.60.811.2Vg/V-10-8-6-4-20246810由于R1，C1，驱动变压器励磁电感构成RLC串联电路，因此在起机或大动态时容易产生震荡。Time/mSecs200uSecs/div00.20.40.60.811.2Vg/V-6-4-2024681010kR2C110uQ1V1R1P1S1TX1V2R12VgLCQ=R由于，因此减小驱动变压器的励磁电感，增大隔直电容和驱动电阻可以抑制此震荡POWERMOSFET隔离驱动隔离驱动变压器的要求•信号延迟小，寄生电容小•漏感小，波形失真小•高低压侧可靠绝缘POWERMOSFET隔离驱动隔离驱动变压器的设计1.选择合适的磁芯2.计算原边匝数3.选择线径，通常情况下，最好是能一层绕完一个绕组。4.确定绕组排布POWERMOSFET并联驱动寄生参数对并联驱动的影响A-0510152025Time/uSecs100nSecs/div270270.1270.2270.3270.4270.5V-0246810Q4-GQ3-GI(Q3-D)I(Q4-D)A-0510152025Time/uSecs20nSecs/div655655.02655.04655.06655.08655.1655.12655.14V-4048I(Q3-D)I(Q4-D)Q4-GQ3-GQ410nL4V510kR710nL1Q3V3100mR3100mR4100nL210kR6R82.2R1010nL3POWERMOSFET并联驱动寄生参数对并联驱动的影响2.2R510nL3R810kR6100nL2100mR4100mR3V3Q310nL110kR7V510nL4Q42.2R9A-048121620Time/uSecs50nSecs/div500500.05500.1500.15500.2500.25500.3500.35V-024681012A-051015202530Time/uSecs50nSecs/div605605.05605.1605.15605.2605.25605.3605.35V-4048并联MOSFET使用单独的驱动电阻可以改善并联均流问题POWERMOSFET并联驱动寄生参数对并联驱动的影响在MOSFET的栅极串联一个磁珠并增大驱动电阻可以很好的改善MOSFET的并联效果。500nL510R510nL3R810kR6100nL2100mR4100mR3V3Q310nL110kR7V510nL4Q410R9500nL6A-048121620Time/uSecs50nSecs/div310310.05310.1310.15310.2310.25310.3310.35310.4V-024681012A-048121620Time/uSecs100nSecs/div615615.1615.2615.3615.4615.5V-8-4048POWERMOSFET并联驱动Vth对并联驱动的影响S2S110R1610nL11V6V4R1110nL810R10S1-CP/V024681012Time/uSecs5uSecs/div620625630635640645650A-20-10010203040如果Vth1Vth2MOSFET并联驱动时，应尽可能保证MOSFET的Vth一致：•MOSFET特性完全一致•MOSFET的温度一致POWERMOSFET并联驱动MOSFET并联驱动的注意事项•并联MOSFET的特性应完全一致。•并联MOSFET的驱动布线应尽量对称。•并联MOSFET应有独立的驱动电阻或图腾柱，并尽量靠近MOSFET栅极•如果并联MOSFET驱动发生震荡，可在MOSFET的栅极套磁珠，并适当增大驱动电阻。