MOSFET的谐极驱动

1．引言
　　　　　　　　　
　　在过去的十几年中，大功率场效应管（MOSFET）引发了电源工业的革命，而且大大地促进了电子工业其他领域的发展。由于MOSFET具有更快的开关速度，电源开关频率可以做得更高，从20kHz到200kHz甚至400kHz到现在的MHz。开关电源的体积变得更小，由此产生了大量使用小型电源的新产品。开关频率的提高加快了暂态响应速度，缩小了元件体积，提高了功率密度。但是也带来了一些问题，如高开关频率造成了过大的开关损耗，使得电源效率的降低。 [1]

　　然而功率场效应管（MOSFET）的驱动损耗限制了功率变换器在高开关频率下的效率。利用LC谐振技术可以降低这种损耗，而且在充放电的过程中恢复了大部分的能量，对门极电压进行了有效的钳位，而且不会限制占空比。

2．MOSFET的驱动损耗

　　几乎所有的现在MOSFET功率变换器都用传统的图腾柱驱动，电源VDD提供的总的能量　　　　　　

图1　MOSFET的驱动电路
（1）式中Ts是开关周期，Fs是开关频率，iDD是跟随VDD的瞬态电流。这个电流会随主MOSFET的电压Vgs从0变到VDD而变化。而门极的电流总量是

公式（3）描述了一个门极驱动损耗和开关频率的关系。更重要的是它反映了两方面的问题：

1）　对于特定的应用和一个给定的VDD ，如果频率不变，那损耗的系数就不能改变了。
2）　降低门极阻抗RG（一个包含了MOSFET门极阻抗，驱动设备开通阻抗和其他配线和封装阻抗的集总参数）并不能使驱动损耗降低。一个更小的RG使充放电时间减少，但是升高了电流幅值，驱动损耗并不改变。

3．谐振驱动技术

　　为了降低（3）中的损耗，谐振驱动技术受到了重视，它利用一个LC电路去给MOSFET的VGS充电和放电。C是固有的门极电容L根据情况来设定。
使用门极驱动技术要考虑以下因素：

A．　高频PWM变换器需要较快的门极驱动速度

　　对于非谐振变换器，PWM变换器的开关损耗随着其频率的升高快速增加。首先，必需降低VGS 上升下降转换时间让它维持在一个稳定的损耗水平。而且，VGS 转换时间限制了最大和最小的占空比。当开关频率变高时，同样的占空比范围需要更小的转换时间。

　　大部分的商用功率MOSFET管都是增强型设备（Vth>0的N沟道），一些谐振驱动的放电电压VGS会由于LC并联谐振[2][3]而降到0V以下。过多的VGS 振荡延迟了开通转换，降低了可用的占空范围，而且会有额外的 驱动能量。

B．　防止高频开关状态下的误导通

　　当开关管工作在高频状态造成VGS转换时间上升时，PWM变换器的开关点S电压下降速度（dV/dt）就会加快。S点在图2的同步BUCK变换器上。当有M1导通，S点的电压迅速下降，给M2的寄生电容CGD注入一个瞬态电流（iDG CGD （dV/dt））。如果iDG过高，产生了开关电压VGS，M2就会误导通[4]。为了不让M2误导通，一个低阻抗的通路必须存在于它的栅极和源极之间（如图3）。

上一页 1 2 3 下一页