功率MOSFET驅(qū)動技術(shù)詳解
功率MOSFET具有導(dǎo)通電阻低、負載電流大的優(yōu)點,因而非常適合用作開關(guān)電源(switch-mode powersupplies,SMPS)的整流組件,不過,在選用MOSFET時有一些注意事項。功率MOSFET和雙極型晶體管不同,它的柵極電容比較大,在導(dǎo)通之前要先對該電容充電,當(dāng)電容電壓超過閾值電壓(VGS-TH)時MOSFET才開始導(dǎo)通。因此,柵極驅(qū)動器的負載能力必須足夠大,以保證在系統(tǒng)要求的時間內(nèi)完成對等效柵極電容(CEI)的充電。在計算柵極驅(qū)動電流時,最常犯的一個錯誤就是將MOSFET的輸入電容(CISS)和CEI混為一談,于是會使用下面這個公式去計算峰值柵極電流。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/179961.htmI = C(dv/dt)
實際上,CEI的值比CISS高很多,必須要根據(jù)MOSFET生產(chǎn)商提供的柵極電荷(QG)指標計算。
QG是MOSFET柵極電容的一部分,計算公式如下:
QG = QGS + QGD + QOD
其中:
QG--總的柵極電荷
QGS--柵極-源極電荷
QGD--柵極-漏極電荷(Miller)
QOD--Miller電容充滿后的過充電荷
典型的MOSFET曲線如圖1所示,很多MOSFET廠商都提供這種曲線??梢钥吹?,為了保證MOSFET導(dǎo)通,用來對CGS充電的VGS要比額定值高一些,而且CGS也要比VTH高。柵極電荷除以VGS等于CEI,柵極電荷除以導(dǎo)通時間等于所需的驅(qū)動電流(在規(guī)定的時間內(nèi)導(dǎo)通)。
用公式表示如下:
QG = (CEI)(VGS)
IG = QG/t導(dǎo)通
其中:
● QG 總柵極電荷,定義同上。
● CEI 等效柵極電容
● VGS 刪-源極間電壓
● IG 使MOSFET在規(guī)定時間內(nèi)導(dǎo)通所需柵極驅(qū)動電流
圖1
以往的SMPS控制器中直接集成了驅(qū)動器,這對于某些產(chǎn)品而言非常實用,但是,由于這種驅(qū)動器的輸出峰值電流一般小于1A,所以應(yīng)用范圍比較有限。另外,驅(qū)動器發(fā)出的熱還會造成電壓基準的漂移。
隨著市場對“智能型”電源設(shè)備的呼聲日漸強烈,人們研制出了功能更加完善的SMPS控制器。這些新型控制器全部采用精細的CMOS工藝,供電電壓低于12V,集成的MOSFET驅(qū)動器同時可作為電平變換器使用,用來將TTL電平轉(zhuǎn)換為MOSFET驅(qū)動電平。以TC4427A為例,該器件的輸入電壓范圍(VIL =0.8V,VIH = 2.4V)和輸出電壓范圍(與最大電源電壓相等,可達18V)滿足端到端(rail-torail)輸出的要求??规i死能力是一項非常重要的指標,因為MOSFET一般都連接著感性電路,會產(chǎn)生比較強的反向沖擊電流。TC4427型MOSFET驅(qū)動器的輸出端可以經(jīng)受高達0.5A的反向電流而不損壞,性能不受絲毫影響。
另外一個需要注意的問題是對瞬間短路電流的承受能力,對于高頻SMPS尤其如此。瞬間短路電流的產(chǎn)生通常是由于驅(qū)動電平脈沖的上升或下降過程太長,或者傳輸延時過大,這時高壓側(cè)和低壓側(cè)的MOSFET在很短的時間里處于同時導(dǎo)通的狀態(tài),在電源和地之間形成了短路。瞬間短路電流會顯著降低電源的效率,使用專用的MOSFET驅(qū)動器可以從兩個方面改善這個問題:
1.MOSFET柵極驅(qū)動電平的上升時間和下降時間必須相等,并且盡可能縮短。TC4427型驅(qū)動器在配接1000pF負載的情況下,脈沖上升時間tR和下降時間tF大約是25ns。其他一些輸出峰值電流更大的驅(qū)動器的這兩項指標還可以更短。
圖2
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