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大功率开关电源中功率MOSFET的驱动技术

时间:2022-10-22     【原创】

       大功率开关电源中功率MOSFET和双极型晶体管不同,它的栅极电容比较大,在导通之前要先对该电容充电,当电容电压超过阈值电压(VGS-TH)时MOSFET才开始导通。因此,栅极驱动器的负载能力必须足够大,以保证在系统要求的时间内完成对等效栅极电容(CEI)的充电。


  在计算大功率开关电源栅极驱动电流时,最常犯的一个错误就是将MOSFET的输入电容(CISS)和CEI混为一谈,于是会使用下面这个公式去计算峰值栅极电流。


  I = C(dv/dt)


  实际上,CEI的值比CISS高很多,必须要根据MOSFET生产商提供的栅极电荷(QG)指标计算。QG是MOSFET栅极电容的一部分,计算公式如下:


  QG = QGS + QGD + QOD,其中:QG--总的栅极电荷,QGS--栅极-源极电荷,QGD--栅极-漏极电荷(Miller),QOD--Miller电容充满后的过充电荷


   典型的MOSFET曲线如图1所示,很多MOSFET厂商都提供这种曲线。可以看到,为了保证MOSFET导通,用来对CGS充电的VGS要比额定值高 一些,而且CGS也要比VTH高。栅极电荷除以VGS等于CEI,栅极电荷除以导通时间等于所需的驱动电流(在规定的时间内导通)。


  用公式表示如下:QG = (CEI)(VGS),IG = QG/t导通其中:

  ● QG 总栅极电荷,定义同上。

  ● CEI 等效栅极电容

  ● VGS 删-源极间电压

  ● IG 使MOSFET在规定时间内导通所需栅极驱动电流


  以往的SMPS控制器中直接集成了驱动器,这对于某些产品而言非常实用,但是,由于这种大功率开关电源驱动器的输出峰值电流一般小于1A,所以应用范围比较有限。另外,驱动器发出的热还会造成电压基准的漂移。


   随着市场对“智能型”电源设备的呼声日渐强烈,人们研制出了功能更加完善的SMPS控制器。这些新型控制器全部采用精细的CMOS工艺,供电电压低于 12V,集成的MOSFET驱动器同时可作为电平变换器使用,用来将TTL电平转换为MOSFET驱动电平。以TC4427A为例,该大功率开关电源器件的输入电压范围 (VIL = 0.8V,VIH = 2.4V)和输出电压范围(与最大电源电压相等,可达18V)满足端到端(rail-to-rail)输出的要求。


  抗锁死能力是一项非常重要的指标,因为MOSFET一般都连接着感性电路,会产生比较强的反向冲击电流。TC4427型MOSFET驱动器的输出端可以经受高达0.5A的反向电流而不损坏,性能不受丝毫影响。


   另外一个需要注意的问题是大功率开关电源对瞬间短路电流的承受能力,对于高频SMPS尤其如此。瞬间短路电流的产生通常是由于驱动电平脉冲的上升或下降过程太长,或者 传输延时过大,这时高压侧和低压侧的MOSFET在很短的时间里处于同时导通的状态,在电源和地之间形成了短路。

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