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了解智能栅极驱动(1)

  【2022.11.17.】

  电机系统设计中的栅极驱动器是一个集成电路(IC),主要处理加强外部功率MOSFET以驱动电动电流。栅极驱动器作为逻辑级控制输入和功率MOSFET之间的一个中间级。栅极驱动器必须足够强大和灵活,以适应各种外部MOSFET的选择和外部系统条件。
  德州仪器 (TI) 的智能栅极驱动器帮助系统设计人员解决当今电机应用中存在的各种常见挑战。这些挑战包括用于优化开关和EMC性能的压摆率控制和调整,减少材料清单(BOM)数量,管理MOSFET和系统保护,以及改善电机控制的驱动器时序性能。
  本应用报告介绍了增强功率MOSFET背后的理论和方法,电机栅极驱动器系统中遇到的各种挑战,以及TI智能栅极驱动器中实现的不同功能,以帮助解决这些挑战。

  1 功率MOSFET理论和操作
  1.1 基础知识
  金属氧化物半导体场效应晶体管,即MOSFET,是当今电子电路设计中最常用的晶体管。MOSFET有许多特性,使它在各种应用中都很有用。这些特性包括可扩展性、低开启电流、高开关速度和高关断阻抗。MOSFET已被用于IC设计(模拟和数字)、开关电源应用、电机控制、负载开关和许多其他设计。
  如图1-1所示,MOSFET由四个终端组成,包括漏极(D)、源极(S)、栅极(G)和体(B)。通常情况下,体端子与源极端子短路,使其成为一个三端子器件。

图1
  图1-1. MOSFET模型

  MOSFET有三个基本的工作区域,可以用几个简单的方程式来定义。这些区域及其相应的方程列举如下:

  • 截止
公式1
  其中:
   – VGS = MOSFET的栅极和源极之间的电压
   – Vth = MOSFET阈值电压

  • 线性
公式2
  其中:
   – VDS = MOSFET的漏极和源极之间的电压
  • 饱和
公式3
  在截止区,MOSFET是关断的,漏极和源极之间不发生导通。在线性区域,MOSFET处于导通状态,相对于源极和漏极电压,MOSFET的行为类似于一个由栅极电压控制的电阻。在饱和区,MOSFET处于开启状态,其行为类似于由漏极和栅极至源极电压控制的电流源。

  1.2 参数
  图1-2显示了一个常见的MOSFET模型,突出显示了端子间电容和栅极电阻。

图2
  图1-2. MOSFET电路模型

  虽然CGS电容相当恒定,但CGD和CDS电容随栅极至漏极电压、漏极至源极电压和应用频率的变化而变化很大。表1-1列出了功率MOSFET的一些典型数据表参数。查看这些数值以了解它们如何影响MOSFET的开关性能。

表1
  表1-1. MOSFET数据表参数(CSD18532Q5B)

  电容和电阻的定义如下:
  CISS 在漏极和源极短路的情况下,测得的栅极和源极之间的输入电容 (CISS = CGS + CGD).
  COSS 在栅极和源极短路的情况下,测得的栅极和源极之间的输出电容 (COSS = CDS + CGD).
  CRSS 在源极接到地的情况下,漏极和源极之间测得的反向传输电容 (CRSS = CGD).
  RG 与栅极端子一致的串联电阻

  为了说明电容值相对于电压的变化,通常使用栅极电荷曲线来提供更有意义的信息。栅极电荷值与存储在端子间电容内的电荷有关。栅极电荷对系统设计者更有用,因为它考虑到了开关瞬态期间电容相对于电压的变化。

图3
  图1-3. MOSFET栅极电荷曲线

  栅极电荷参数定义如下:
  QG 将栅极到源极的电压提高到指定值所需的总栅极电荷(4.5V和10V是常用的电压)。
  QG(th) 从0V到MOSFET的阈值电压所需的电荷。电流将在阈值电压时开始从漏极流向源极。
  QGS 从0V到米勒平台电压所需的电荷。在平台电压下,漏极到源极的电压将开始摆动。
  QGD 穿过米勒区所需的电荷。米勒区的名称来源于这样一个事实:在这一时期,由于反向传输电容被充电,栅极到源极的电压保持相对稳定。随着MOSFET变得增强,MOSFET VDS压摆在此期间发生。
  应该注意的是,QGD和QG虽然改进了MOSFET开关与电容的品质因数,但仍然依赖于VDS,在利用这些参数时应考虑到这一点。

  1.3 开启行为
  根据第1.2节提供的信息,需要有特定数量的电荷来将栅极偏置到一定的电压。有了这种认识,MOSFET在施加某些电压和电流时的表现就开始变得更加清晰。图1-4显示了MOSFET的典型开启响应。

图4
  图1-4. MOSFET开启响应

  曲线开始时,随着向栅极提供电荷,栅极至源极的电压不断增加。当栅极至源极的电压达到MOSFET的阈值电压时,电流开始从漏极流向源极。然后,当MOSFET通过米勒区时,栅极到源极的电压保持相当稳定。在米勒区期间,漏极到源极的电压下降。在米勒区之后,栅极继续充电,直到达到最终的驱动电压。

  1.4 简单的压摆率计算
  不幸的是,根据参数和公式计算精确的MOSFET VDS压摆率需要了解MOSFET、电路板和封装寄生效应的具体知识以及栅极驱动电路的详细信息。这些计算超出了本文档的范围。本文档只关注与实验室数据相比较的简单一阶近似值。
  由于MOSFET的VDS转换发生在米勒区,因此米勒电荷(QGD)和栅极驱动强度可用于近似估计压摆率。应该作出的第一个假设是,在MOSFET栅极驱动中使用了理想的或接近理想的恒定电流源。

  1.4.1 示例
  图1-5显示了一个DRV8701智能栅极驱动器在24V电压下驱动CSD18532Q5B。波形显示了大约312ns的压摆率,与使用公式4计算的一阶近似值非常吻合。
公式4
  其中
  • QGD = 6.9 nC
  • ISOURCE = 25 mA

图5
  图1-5. 测量的MOSFET压摆率

  1.5 栅极驱动电流
  峰值栅极驱动电流和平均栅极驱动电流是设计开关式功率MOSFET系统(如电机驱动)时应考虑的两个关键参数。

  1.5.1 峰值栅极驱动电流
  峰值栅极驱动电流是指在开启和关断期间,栅极驱动器可以向功率MOSFET栅极提供或吸收的峰值电流。这个值主要影响MOSFET的转换速度。
  1.5.1.1 示例
  DRV8701支持150mA的峰值拉电流和300mA的峰值灌电流。使用第1.4.1节的例子,可以用公式5和公式6(分别)计算出上升和下降时间。
公式5
  其中
  • QGD = 6.9 nC
  • ISOURCE = 150 mA
公式6
  其中
  • QGD = 6.9 nC
  • ISINK = 300 mA

  1.5.2 平均栅极驱动电流
  平均栅极驱动电流是指在持续切换功率MOSFET时,从栅极驱动器所需的平均电流。如前所述,开关功率MOSFET的电荷量很小(44 nC),但当在kHz范围内切换MOSFET时,该电荷将平均成为来自栅极驱动电源的恒定电流。
  使用公式7来计算平均栅极驱动电流:
公式7

  1.5.2.1 示例
公式8

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