功率MOSFET通常由PWM或其它模式的控制器IC內部的驅動源來驅動,為了提高關斷的速度,實現快速的關斷降低關斷損耗提高系統效率,在很多ACDC電源、手機充電器以及適配器的驅動電路設計中,通常使用圖1的驅動電路,使用合適的開通和關斷電阻,并使用柵極下拉的PNP管。一些大功率ACDC電源有時為了提高驅動能力,外部會使用二個對管組成的圖騰柱。
圖1:常用柵極驅動電路
圖1的驅動電路的特點:
(1)實現快速的關斷,降低關斷損耗;
(2)減小橋式電路在下管關斷、上管開通過程中,dV/dt和Crss在下管柵極產生的感應電壓,從而防止下管柵極誤觸發導通,避免上、下管的直通短路。
圖1的驅動電路驅動平面結構和前一代超結結構的功率MOSFET,可以在各種性能之間取得非常好的平衡,但是,新一低超結結構的功率MOSFET的開關速度非常快,因此,使用這樣的驅動電路,會產生較大的dV/dt和di/dt,從而對EMI產生影響。
采用AOD600A70R,其中,R1=150,R2=10,R3=10k,分別在輸入120V&60HZ、264V&50HZ,輸出11V/4A&44W條件下測量關斷波形,如圖2所示。
(a) 關斷波形,120V&60HZ
(b) 關斷波形,264V&50HZ
圖2:采用圖1驅動電路的關斷波形
電視機板上ACDC電源、電腦適配器等由于具有足夠的空間,因此,快的開關速度實現高效的同時,可以通過調整系統輸入端的濾波器實現EMI的性能。手機快速充電器內部的空間極其有限,因此,很難通過大幅調整前端的輸入濾波器來保證EMI的性能,這種情況下就需要優化驅動電路來改善系統的性能。當然,優化驅動電路對于ACDC電源、電腦適配器,同樣可以提高EMI性能。
新一低的超結結構的功率MOSFET的Coss和Crss強烈的非線性特性導致快速的開關特性,那么,就需要通過外部柵極-漏極、漏極-源極并聯電容來改善其非線性特性。基于圖1的驅動電路,外部并聯柵極-漏極電容為11pF,如圖3所示,然后測量關斷波形,如圖4所示。從圖4的波形可以看到,外部并聯柵極-漏極電容,可以降低di/dt ,但是對dV/dt的影響很小。從EMI的測量結果來看,無法達到系統的要求。為了提高系統的安全性,圖中柵極-漏極電容采用二顆高壓陶瓷電容串聯,C1=C2=22pF。
圖3:外部并聯柵極-漏極電容驅動電路
(a) 關斷波形,120V&60HZ
(b) 關斷波形,264V&50HZ
圖4:采用圖3驅動電路的關斷波形
測試結果表明;柵極驅動的速度仍然非常快,為了實現開關速度、開關損耗和EMI的平衡,去掉柵極的二極管和下拉PNP管,如圖5所示。其中,R2=5.1,關斷波形如圖6所示。
圖5:無三極管下拉柵極驅動電路
(a) 關斷波形,120V&60HZ
(b) 關斷波形,264V&50HZ
圖6:使用圖5驅動電路關斷波形
基于圖5的驅動電路,柵極-漏極外部并聯11pF電容,C1=C2=22pF,如圖7所示,測量波形如圖8所示。
圖7:無三極管下拉,外部并聯柵極-漏極電容
(a) 關斷波形,120V&60HZ
(b) 關斷波形,264V&50HZ
圖8:使用圖7驅動電路關斷波形
為了能夠控制關斷的dV/dt,漏極-源極需要并聯外部電容,如圖9所示。圖9的電路中,加了一個二極管,這樣,關斷和開通可以使用不同的柵極電阻值,方便系統設計和調試優化。采用AOD600A70R,其中,C1=C2=22pF,C3=47pF,R1=R2=5.1,關斷波形如圖10所示。
圖9;優化EMI的手機快充柵極驅動電路
(a) 關斷波形,120V&60HZ
(b) 關斷波形,264V&50HZ
圖10:采用圖9驅動電路的關斷波形
分別在輸入120V&60HZ、264V&50HZ,輸出11V/4A&44W條件下,使用圖3的驅動電路,測量相關的輻射。測量結果如圖11所示,它們或者超標,或者達不到系統的裕量要求。圖3電路即使在D、S并聯電容,同樣測試也過不了EMI。
(a) 120V&60HZ,水平
(b) 120V&60HZ,垂直
(c) 264V&50HZ,水平
(d) 264V&50HZ,垂直
圖11:使用圖3驅動電路的EMI測試結果
分別在輸入120V&60HZ、264V&50HZ,輸出11V/4A&44W條件下,使用圖9的驅動電路,測量相關的輻射,測量結果如圖12所示,這些結果都達到系統裕量的要求。
(a) 120V&60HZ,水平
(b) 120V&60HZ,垂直
(c) 264V&50HZ,水平
(d) 264V&50HZ,垂直
圖12:使用圖9驅動電路的EMI測試結果
新一低的超結結構的功率MOSFET應用于功率因素校正PFC以及一些要求高效、高功率密度電源,可以使用圖9的驅動電路;如果其在PFC中使用多管并聯,推薦使用圖13電路。如果其應用于LLC諧振變換器,使用圖14的電路。
圖13:PFC多管并聯驅動電路
圖14:LLC諧振變換器驅動電路
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