與任何設(shè)計(jì)決策一樣，在為您設(shè)計(jì)中的 MOSFET 選擇 合適的 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器時(shí)，需要考慮幾個(gè)變量。需要 考慮的參數(shù)至少需要包括輸入至輸出的傳輸時(shí)延、靜態(tài) 電流、抗閉鎖和電流驅(qū)動(dòng)能力。驅(qū)動(dòng)器的功率消耗也影 響著封裝的決定和驅(qū)動(dòng)器的選擇。 本應(yīng)用筆記將詳細(xì)討論與 MOSFET 柵極電荷和工作頻 率相關(guān)的 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器功耗。還將討論如何根據(jù)MOSFET 所需的導(dǎo)通和截止時(shí)間將 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器的 電流驅(qū)動(dòng)能力與 MOSFET 柵極電荷相匹配。Microchip 提供許多不同種類的 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器，它們 采用不同的封裝，因此可以使設(shè)計(jì)者為應(yīng)用中的 MOS- FET 選擇最合適的 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器。
MOSFET 驅(qū)動(dòng)器的功耗
對(duì) MOSFET 的柵極進(jìn)行充電和放電需要同樣的能量， 無論充放電過程快或慢 (柵極電壓的上升和下降)。因 此，MOSFET 驅(qū)動(dòng)器的電流驅(qū)動(dòng)能力并不影響由 MOS- FET 柵極的容性負(fù)載產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)器功耗。
MOSFET 驅(qū)動(dòng)器的功耗包含三部分:1. 由于MOSFET柵極電容充電和放電產(chǎn)生的功耗。
從上述公式推導(dǎo)得出，三部分功耗中只有一個(gè)與MOSFET 柵極電容充電和放電有關(guān)。這部分功耗通常是 最高的，特別在很低的開關(guān)頻率時(shí)。
為了計(jì)算公式 1 的值，需要知道 MOSFET 柵極電容。
MOSFET 柵極電容包含兩個(gè)電容:柵源電容和柵漏電容 (密勒電容)。通常容易犯的錯(cuò)誤是將 MOSFET 的輸入 電容 (CISS)當(dāng)作 MOSFET 總柵極電容。確定柵極電 容的正確方法是看 MOSFET 數(shù)據(jù)手冊(cè)中的總柵極電容 (QG)。這個(gè)信息通常顯示在任何 MOSFET 的電氣特
性表和典型特性曲線中。
表 1 顯示了 500V、14A、N 溝道 MOSFET 的柵極電容 在數(shù)據(jù)手冊(cè)中的典型示例。要留意數(shù)據(jù)手冊(cè)表中給出的 數(shù)值與它們的測(cè)試條件有關(guān):柵極電壓和漏極電壓。這 些測(cè)試條件影響著柵極電荷的值。圖 1 顯示同一個(gè) MOSFET 在不同柵極電壓和漏極電壓下柵極電荷的典 型特性曲線。應(yīng)確保用來計(jì)算功耗的柵極電荷值也滿足 應(yīng)用條件。
交越導(dǎo)通特性在MOSFET驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)手冊(cè)中顯示為“交 越能量—電源電壓”典型特性曲線。圖 2 給出了這個(gè)曲 線示例。
交越常數(shù)的單位通常為安培 - 秒(A*sec)。這個(gè)數(shù)值與 工作頻率相乘得到平均電流值。圖 2 證明了先前討論的 這一點(diǎn)。也就是，當(dāng)偏置電壓增加時(shí)，交越常數(shù)也增加， 因此驅(qū)動(dòng)器的功率消耗 (由于交越導(dǎo)通)也增加。反 之，減小驅(qū)動(dòng)器電壓導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器功耗減小。
需要留意的一點(diǎn)是當(dāng)使用雙路驅(qū)動(dòng)器時(shí)，交越常數(shù)通常表示驅(qū)動(dòng)器兩部分的工作。如果只使用了驅(qū)動(dòng)器的一部分，或者驅(qū)動(dòng)器的兩部分工作在不同的頻率，對(duì)于驅(qū)動(dòng)器每部分的計(jì)算，只需要采用這個(gè)值的一半。
以圖 2 所示的信息為例，我們假設(shè)這是單輸出驅(qū)動(dòng)器， 工作VDD為12V，工作頻率為250 kHz。基于上述曲線， 交越常數(shù)定為 5.2*10-9。
峰值電流驅(qū)動(dòng)的需求
針對(duì) MOSFET 驅(qū)動(dòng)器的討論主要是考慮內(nèi)部和外部因 素而導(dǎo)致 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生功耗。所以必須計(jì)算出MOSFET 驅(qū)動(dòng)器的功率損耗，進(jìn)而利用計(jì)算值為驅(qū)動(dòng)器 選擇正確的封裝和計(jì)算結(jié)溫。
在應(yīng)用中使 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器與 MOSFET 匹配主要是根 據(jù)功率 MOSFET 導(dǎo)通和截止的速度快慢 (柵極電壓的 上升和下降時(shí)間)。任何應(yīng)用中優(yōu)化的上升 / 下降時(shí)間 取決于很多因素，例如 EMI(傳導(dǎo)和輻射)，開關(guān)損耗， 引腳 / 電路的感抗，以及開關(guān)頻率等。
MOSFET 導(dǎo)通和截止的速度與 MOSFET 柵極電容的充 電和放電速度有關(guān)。 MOSFET 柵極電容、導(dǎo)通和截止 時(shí)間與 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系可以表示 為:
同時(shí)還需要考慮在 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器和功率 MOSFET 柵 極之間使用外部電阻，因?yàn)檫@會(huì)減小驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O電容的峰 值充電電流。這種驅(qū)動(dòng)的配置如圖 4 所示。
MOSFET 驅(qū)動(dòng)器柵極驅(qū)動(dòng)典型配置
使用 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器時(shí)可以采用許多不同的電路配置。 很多時(shí)候，由于高的峰值電流、驅(qū)動(dòng)電壓快的上升 / 下 降時(shí)間以及電路板上長(zhǎng)走線引起的電感，需要考慮額外 的鉗位電路。圖 3 至圖 6 顯示了經(jīng)常使用的柵極驅(qū)動(dòng)電 路典型配置。
圖 6 顯示了使用柵極驅(qū)動(dòng)變壓器的兩種不同柵極驅(qū)動(dòng)配 置。柵極驅(qū)動(dòng)變壓器可以用在高壓或低壓的應(yīng)用中，從 而在控制電路和功率 MOSFET 之間提供隔離，而這種 隔離是為了滿足安全要求，或者是提供高端浮空柵極驅(qū) 動(dòng)。
圖 6 中的電路 A 和電路 B 顯示了單開關(guān)正激應(yīng)用中使用 的柵極驅(qū)動(dòng)變壓器。與 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器輸出和柵極驅(qū) 動(dòng)變壓器串聯(lián)的電阻和電容用于平衡柵極驅(qū)動(dòng)變壓器的 電壓 - 時(shí)間。由于柵極驅(qū)動(dòng)變壓器的電壓 - 時(shí)間必須平 衡(對(duì)任何變壓器都一樣)，在開關(guān)周期的截止時(shí)間內(nèi)， 功率 MOSFET 的柵極被施加了一個(gè)負(fù)的柵源電壓。很 多時(shí)候這會(huì)引起導(dǎo)通時(shí)開關(guān)時(shí)間延遲。如果不希望發(fā)生 這種情況，可以使用 B 中的電路配置。這個(gè)電路使用負(fù) 的柵極驅(qū)動(dòng)電壓來導(dǎo)通另外一個(gè)小信號(hào) FET，進(jìn)而短接 主功率 MOSFET 的柵源端子，使其完全截止，并使柵 極電壓保持在 0V。A 和 B 中顯示的驅(qū)動(dòng)配置也可以用于 雙開關(guān)的正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
總結(jié)
在實(shí)際應(yīng)用中，將適當(dāng)?shù)?MOSFET 驅(qū)動(dòng)器與 MOSFET匹配時(shí)需要考慮許多參數(shù)。然而，遵循本應(yīng)用筆記中介 紹的步驟就可以作出正確的選擇。表 3可以作為通用的 指南來縮小選擇的范圍。
正如任何電子元件一樣，沒有一個(gè)器件能夠適合所有的 應(yīng)用，因此 Microchip 提供了不同標(biāo)稱電流、驅(qū)動(dòng)輸出 極性和輸入邏輯配置的 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器。
聯(lián)系客服
