如何确定MOSFET的驱动电阻

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在知乎上看到了这个帖子,写的很好,总结下分享给大家。

常用的MOSFET驱动电路如下图所示:

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                                    图1.常用的MOSFET驱动电路

 

其中,

Rg为驱动电阻;

LK是驱动回路的感抗,一般在几十nH;

Rpd的作用是给MOSFET栅极积累的电荷提供泄放贿赂,一般取值在10K~几十K;

Cgd、Cgs、Cds是MOSFET的三个寄生电容。

 

驱动电阻下限值的计算原则为:驱动电阻必须在驱动回路中提供足够的阻尼, 来阻尼MOSFET开通瞬间驱动电流的震荡。

 

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实际设计时,一般先计算出Rg下限值的大致范围,然后再通过实验,以驱动电流不发生震荡作为临界条件,得出Rg的下限值。

 

驱动电阻上限值的设计原则为:防止MOSFET关断时产生很大的dV/dt,使MOSFET管再次误开通。

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Vth为MOSFET门槛电压,Cgd和dV/dt在手册中可查。

从上面的分析可以看到,在MOSFET管关断时,为了防止误开通,应当尽量减小关断时驱动回路的阻抗。基于这一思想,下面再给出两种很常用的改进型电路,可以有效地避免关断时MOSFET的误开通问题。

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                                                             图2.常用的MOSFET驱动电路改进电路1

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                                                              图3.常用的MOSFET驱动电路改进电路2

 

MOSFET驱动电阻的取值范围在5~100欧姆之间,那么在这个范围内如何进一步优化阻值的选取呢?这就要从损耗方面来考虑。

当驱动电阻阻值越大时,MOSFET开通关断时间越长,在开关时刻电压电流交叠时间越久,造成的开关损耗就越大。所以在保证驱动电阻能提供足够的阻尼,防止驱动电流震荡的前提下,驱动电阻应该越小越好。

 

驱动芯片的选型需要考虑驱动电流、功耗、传输延迟,对隔离型驱动还要考虑原副边隔离电压,瞬态共模抑制。

1.最大电流

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∆Vgs为驱动电压的摆幅,在选择驱动芯片的时候,最重要的一点就是驱动芯片能提供的最大电流要超过上式所得出的电流,即驱动芯片要有足够的“驱动能力”。

 

2.功耗

P_driver=Q_g×∆V_gs×f_s

Q_g栅极充电电荷,∆V_gs为驱动电压的摆幅,f_s为MOSFET的开关频率。选择驱动芯片时,应选择驱动芯片所能提供的功率大于上式所计算出来的功率。同时还要考虑环境温度的影响,因为大多数驱动芯片所能提供的功率都是随着环境温度的升高而降额的,如图4所示。

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图4. 驱动允许的损耗功率随着环境温度升高而降额(IPW65R080CFD)

 

3.传输延迟

所谓传输延迟,即驱动芯片的输出信号上升沿和下降沿都要比输入信号延迟一段时间,其对应的波形如图5所示。

 

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 图5. 驱动芯片输入输出传输延时(UCC27714)

 

对于传输延迟来说,我们一般希望有两点:1)传输延时的实际要尽量短。2)“开通”传输延时和“关断”传输延时的一致性要尽量好。

 

针对第二点,如果开通和关断传输延时不一致会有什么影响呢?我们以常用的IGBT驱动,光耦M57962为例,给出其传输延时的数据:                                   9

 

M57962的开通传输延时一般为1us,最大为1.5us;关断传输延时一般为1us,最大为1.5us。其开通关断延时的一致性很差,这样就会对死区时间造成很大的影响。假设输入M57962的驱动死区设置为1.5us。那么实际到IGBT的GE级的驱动死区时间最大为2us(下管开通延时1.5us, 上管关断延时1us),最小仅为1us(下管开通延时1us, 上管关断延时1.5us)。造成实际到达IGBT的GE级的死区时间的不一致。因此在设计死区时间时,应当充分考虑到驱动芯片本身的传输延时的不一致性,避免因此造成的死区时间过小导致的桥臂直通。

 

4.原、副边绝缘电压

对于隔离型驱动来说(光耦隔离,磁耦隔离)。需要考虑原、副边的绝缘电压,一般项目中都会给出绝缘电压的相关要求。若没有相关要求,一般可取绝缘电压为MOSFET电压定额的两倍以上。

 

5.共模瞬态抑制

对于桥式电路来说,同一桥臂上管的源极 (也就是下管的漏极)是高频跳变的,该高频跳变的dv/dt会通过隔离驱动原、副边的寄生电容产生较大的共模电流耦合到原边,从而对控制驱动产生影响,如图6所示。

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图6. 原、副边耦合

所以,驱动芯片的共模瞬态抑制(common mode transient immunity)也很重要,在实际选择驱动芯片时,驱动芯片的CM transient immunity应该大于电路中实际的dv/dt,越大越好。

 

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