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铁氧体磁珠在栅极驱动中的应用

  【2022.11.13.】

  噪声是栅极驱动电路的有害因素,无论是电源纹波还是功率FET栅极的振铃,噪声都会导致不可预测的行为并降低系统的可靠性。铁氧体磁珠是工程师用来防止这种损害的工具之一。这种方法是有效的,因为铁氧体磁珠衰减了高频振铃,同时对正常操作的影响最小。本应用简报的目的是介绍铁氧体磁珠的基本知识,栅极驱动电路中的振铃来源,以及如何使用铁氧体磁珠来解决这种振铃。本文档中的材料与任何从事栅极驱动电路的人士有关,但在涉及高开关频率或功率FET上的快速dV/dt的系统中尤其重要。

  铁氧体磁珠的基本原理
  铁氧体磁珠是一个被铁氧体包围的导体,铁氧体是一种具有磁性的陶瓷材料。铁氧体磁珠表现出与频率有关的电阻、电容和电感特性的组合。一般来说,铁氧体磁珠的频率响应在低频时由其电感成分主导,在靠近自共振频率(SRF)的高频时由其电阻成分主导。容性元件在高于SRF的频率上成为主导。图1显示了一个证明铁氧体磁珠谐振行为的等效电路模型。在实践中,这意味着铁氧体磁珠允许一定频率范围内的信号通过而影响最小,但在更高的频率下将其他信号耗散为热量。虽然铁氧体磁珠类似于低Q因子的电感器,但重要的是要注意,铁氧体磁珠实际上是耗散能量,而电感器是储存能量。这使得铁氧体磁珠的选择能够在不明显扭曲原始信号的情况下减少目标频率的噪音。

图1
  图1. 铁氧体磁珠等效电路

  栅极驱动电路中的噪声
  在栅极驱动电路中,栅极上的噪声可能由多种来源引起,包括辐射噪声和来自栅极驱动器电源的传导噪声。然而,最重要的噪声源是功率FET栅极的寄生振荡,其原因是图2所示的寄生效应。FET的导线和引线的寄生电感与寄生电容Cgd和Cgs相结合,形成一个RLC振荡回路。当场效应管开始导通时,dI/dt会引起寄生电感的振铃,寄生电感通过Cgd耦合到场效应管的栅极。在场效应管完全开启并在其线性区域工作之前,场效应管最初在饱和区域通过,该区域具有较高的gm/增益,通常不适合用于电力电子。在这个饱和阶段,场效应晶体管将振荡从栅极放大到漏极,这些振荡可以通过场效应晶体管的Cgd耦合,形成一个正反馈回路。

图2
  图2. 栅极驱动电路中的寄生效应

  这种振铃可以通过布局优化来减少寄生效应,但功率场效应管本身就有很大的寄生电容,而且由于系统层面的其他因素,有时很难减少寄生电感。解决这个问题的另外两种方法是增加栅极电阻,这有助于抑制振荡,或者从栅极到源极增加一个额外的电容,需要更多的电荷来开启场效应管。虽然这两种方法都能有效地减少振铃,但有一个权衡,因为它们都增加了场效应管的开关时间,在增加栅极电阻的情况下限制了驱动电流,在增加电容的情况下增加了开启场效应管所需的电荷。由于开关时间增加,开关损耗也增加,从而降低了效率。这种效率的降低强调了在不明显影响开关速度和栅极驱动电路效率的情况下,需要一种方法来抑制这些振荡的发生。

  使用铁氧体磁珠来减少栅极驱动电路中的噪声
  当铁氧体磁珠用于减少开关栅极节点上的振铃和噪声时,在栅极驱动应用中是最有用的。传统上,电阻被用来减少这种栅极噪声,但使用电阻会降低最大驱动电流,减慢开关速度并增加开关损耗。可以选择铁氧体磁珠来消除噪声,而不显著降低峰值驱动强度,使功率晶体管的开关行为相对不变。下面的波形显示了在图3中没有铁氧体磁珠的情况下,一个有噪声的超级结MOSFET的开关,以及在图4中栅极和输出之间的铁氧体磁珠。添加铁氧体磁珠大大减少了这些图中栅极振荡的幅度。建议在功率开关的栅极上使用铁氧体磁珠,以提高驱动电路的可靠性,特别是在开关噪声大的FET时,例如具有快速上升时间或低内部栅极电阻的FET。如图5所示,铁氧体磁珠可与栅极电阻串联使用,以获得最大效益,并应尽可能靠近场效应管。

图3
  图3. 无铁氧体磁珠的栅极噪声

图4
  图4. 有铁氧体磁珠的栅极噪声

图5
  图5. 铁氧体磁珠的放置

  很明显,铁氧体磁珠可以减少系统中的噪声,但也会有取舍。在栅极驱动路径上增加元件的一个常见问题是降低开关速度,从而导致效率下降。图6显示了在有(蓝色)和无(黑色)铁氧体磁珠的情况下,超级结MOSFET开关的上升栅极信号。从这两个波形来看,铁氧体磁珠对正常工作的影响很小。

图6
  图6. 铁氧体磁珠对正常开关的影响

  选择铁氧体磁珠
  在为栅极驱动应用选择铁氧体磁珠时,有两个主要因素需要考虑:饱和电流和相关频率下的阻抗。
在选择铁氧体磁珠时,最好是在驱动频率下具有最小的阻抗,而在噪声频率下具有高的阻抗。一般来说,栅极振荡在100MHz左右,但这个噪声频率也可以在系统中测量,以帮助选择最佳的铁氧体磁珠。选择一个合适的铁氧体磁珠需要查看器件数据手册上的频率与阻抗图。该图应包括三条线,即总阻抗(Z)、阻抗的电感分量(X)和阻抗的电阻分量(R)。铁氧体磁珠的选择应使电阻分量在噪声频率下达到最大,以耗散尽可能多的能量,同时使开关频率下的整体阻抗最小,以防止不必要的损失。图7是一个铁氧体磁珠阻抗的示例图,基于TDK的MPZ1608系列。该图所代表的铁氧体磁珠可用于许多栅极驱动应用,因为它在开关频率1MHz以下具有非常低的阻抗,但在10MHz开始具有高阻抗,并一直增加到300MHz。

图7
  图7. 铁氧体磁珠阻抗图示例

  第二个必须考虑的因素是饱和电流,即铁氧体磁珠失效的电流。铁氧体磁珠的性能在很大程度上取决于饱和电流,在达到该额定电流之前,其衰减会发生变化。考虑到这一点,重要的是确保阻抗在峰值电流下保持足够高,以充分衰减噪声。这一信息并不总是在数据手册中提供,因此可能需要向铁氧体磁珠的制造商索取这一信息。

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