8 MOSFET 栅极驱动器设计

[音乐播放]

这是本系列视频的 最后一部分，

该系列介绍如何设计 适用于电动汽车且功率为

数千瓦的转换器。

在这一部分中，我们将来 看看 MOSFET 栅极

驱动器。

另外，本课程 最后将会提供

一些参考资料， 以供大家参考。

栅极驱动器变压器 与固态 IC 解决方案

互相竞争。

因此，有必要 看看它们的优点

和缺点。

栅极驱动器变压器 提供初级到次级隔离。

这使得它们 轻松能够用于

驱动高侧 MOSFET。

隔离特性也 让 PSU 次级侧上的

控制器能够直接

驱动初级侧 MOSFET。

它们看起来比较简单， 至少在理论上是这样。

Np 用于打开初级侧。

Ns 用于打开次级侧。

但是，它们并不是毫无缺陷。

必须防止它们 出现饱和。

这一特性还会 导致初级到次级耦合。

良好的耦合意味着 需要较大的初级到

到次级电容。

另外，良好的 MOSFET 开关 性能需要高 dv/dt 速率，

而这可以减小输入 控制器的共模电流，

并会干扰其运行。

耦合不佳意味着 较大的漏电感，

这会导致打开 和关闭初级侧时，

绕组上会出现 电压尖峰。

可能需要额外的元件来

抑制这些效应。

它们确实具有 零静态电流。

当空载功耗 非常重要时，

这是一项优势。

但是不要忘记， 用于驱动变压器

初级侧的驱动器并不是

零静态电流。

变压器没有 任何启动延迟，

也没有自举 电容器要充电，

就像常见的 高侧驱动器一样。

如果设计得当， 它们非常稳定可靠。

不幸的是，它们 也有一些缺点。

它们需要相当多的 外部元件，

需要二极管等来 处理漏电感尖峰

和常见负载电流。

它们本身就比 IC 解决方案要庞大，特别是

它们的高度。

它们还需要驱动 器来驱动初级侧，

并且如果驱动不当， 很容易出现饱和。

一般而言， 变压器栅极驱动器

是一种较旧的 技术，正在为

较新的 IC 器件所取代。

因此，MOSFET 栅极看起来 是所连驱动器的

流过式电容器。

MOSFET 开关的 主要目标是能够

通过在尽可能 短的时间内对

栅极电容进行 充电和放电，

尽快地将其打开和关闭。

峰值栅极电流高达 5A 的情况并不少见。

尽管最优的 驱动电平将

取决于要驱动的 MOSFET 以及具体的应用。

驱动器的作用是快速地 打开和关闭 MOSFET，

显然就是让 它在应该关闭时

保持关闭， 并在应该打开时

保持打开。

这一简单明确的任务 掩盖了很多微小的效应。

驱动器可能需要也 可能不需要跨越隔离栅。

它是否具有 足够的抗噪性能来

防止错误触发？

在一个简单的低侧 驱动器中，输入和输出都

以同一接地端为基准。

高侧驱动器 采用自举技术

来驱动电桥 电路的高侧 MOSFET，

例如相移全桥中的上部

器件。

当 VCC 电压轨降至 其 UVLO 电平以下时，

驱动器的行为如何？ 它是否会停止工作？

它是否会将其 驱动的 MOSFET

保留为相当的“安全”状态？

当其 VCC 电压轨 上升至导通阈值后，

驱动器需要 多长时间才能

开始工作？

它有使能信号吗？

在选择驱动器 IC 之前，

需要回答以上所有问题。

UCC21520-Q1 是 一款双通道隔离式栅极

驱动器，可供 次级侧控制器用来

驱动相移全桥的初级侧

MOSFET。

此器件可用于 驱动高侧和低侧

MOSFET，传播延迟较低。

具体来说， 传播延迟的良好匹配

意味着控制器 发出的开关模式，

也就是 UCC28951-Q1 中的 OUTA、OUTB、OUTC 和 OUTD，

在用于打开 和关闭开关之前

不会出现失真。

此处显示了 用于驱动初级/次级侧 MOSFET 的

替代方法。

ISO7740F-Q1 是 一款数字隔离器，

其输入采用 一个 5V 信号。

因此，需要对来自 UCC28951-Q1 的 10V OUTX 信号

进行一些衰减， 例如使用一个电阻

分压器。

如果使用此器件， 则务必要使用输出

在输入信号丢失时 默认为低电平的

F 型号。

需要单独的 MOSFET 驱动器

来将来自隔离器的 数字信号与 MOSFET

对接。

这不一定就是缺点。

通过将隔离 和驱动器功能分开，

意味着驱动器可以 放置在靠近 MOSFET 的位置，

并且由于初级与 次级隔离栅以及

相关的 PCB 爬电距离和间隙距离，

因此不存在限制。

MOSFET 广泛用于 同步整流器。

它们可以通过将 其源连接到低输出来

轻松进行配置。

这使得它们 相对容易驱动。

这里展示的是 UCC27524A1-Q1 驱动器，

它从控制器获取 栅极驱动信号，

并根据需要 打开和关闭 MOSFET。

与往常一样，通常 需要具有大栅极电容

大电流的低 RDS(on) MOSFET，

以便快速打开 和关闭它们。

TI 提供了许多 相关设计资源，

这里是其中一些资源的链接。

这里是一个 有用的参考资料列表，

您可以在其中 找到关于电源设计

各个方面的 更多信息。

这是本培训 系列的最后一个视频。

非常感谢您的关注。

如果您有任何建议 或遇到任何问题，

请随时与我联系。

[音乐播放]

这是本系列视频的 最后一部分，

该系列介绍如何设计 适用于电动汽车且功率为

数千瓦的转换器。

在这一部分中，我们将来 看看 MOSFET 栅极

驱动器。

另外，本课程 最后将会提供

一些参考资料， 以供大家参考。

栅极驱动器变压器 与固态 IC 解决方案

互相竞争。

因此，有必要 看看它们的优点

和缺点。

栅极驱动器变压器 提供初级到次级隔离。

这使得它们 轻松能够用于

驱动高侧 MOSFET。

隔离特性也 让 PSU 次级侧上的

控制器能够直接

驱动初级侧 MOSFET。

它们看起来比较简单， 至少在理论上是这样。

Np 用于打开初级侧。

Ns 用于打开次级侧。

但是，它们并不是毫无缺陷。

必须防止它们 出现饱和。

这一特性还会 导致初级到次级耦合。

良好的耦合意味着 需要较大的初级到

到次级电容。

另外，良好的 MOSFET 开关 性能需要高 dv/dt 速率，

而这可以减小输入 控制器的共模电流，

并会干扰其运行。

耦合不佳意味着 较大的漏电感，

这会导致打开 和关闭初级侧时，

绕组上会出现 电压尖峰。

可能需要额外的元件来

抑制这些效应。

它们确实具有 零静态电流。

当空载功耗 非常重要时，

这是一项优势。

但是不要忘记， 用于驱动变压器

初级侧的驱动器并不是

零静态电流。

变压器没有 任何启动延迟，

也没有自举 电容器要充电，

就像常见的 高侧驱动器一样。

如果设计得当， 它们非常稳定可靠。

不幸的是，它们 也有一些缺点。

它们需要相当多的 外部元件，

需要二极管等来 处理漏电感尖峰

和常见负载电流。

它们本身就比 IC 解决方案要庞大，特别是

它们的高度。

它们还需要驱动 器来驱动初级侧，

并且如果驱动不当， 很容易出现饱和。

一般而言， 变压器栅极驱动器

是一种较旧的 技术，正在为

较新的 IC 器件所取代。

因此，MOSFET 栅极看起来 是所连驱动器的

流过式电容器。

MOSFET 开关的 主要目标是能够

通过在尽可能 短的时间内对

栅极电容进行 充电和放电，

尽快地将其打开和关闭。

峰值栅极电流高达 5A 的情况并不少见。

尽管最优的 驱动电平将

取决于要驱动的 MOSFET 以及具体的应用。

驱动器的作用是快速地 打开和关闭 MOSFET，

显然就是让 它在应该关闭时

保持关闭， 并在应该打开时

保持打开。

这一简单明确的任务 掩盖了很多微小的效应。

驱动器可能需要也 可能不需要跨越隔离栅。

它是否具有 足够的抗噪性能来

防止错误触发？

在一个简单的低侧 驱动器中，输入和输出都

以同一接地端为基准。

高侧驱动器 采用自举技术

来驱动电桥 电路的高侧 MOSFET，

例如相移全桥中的上部

器件。

当 VCC 电压轨降至 其 UVLO 电平以下时，

驱动器的行为如何？ 它是否会停止工作？

它是否会将其 驱动的 MOSFET

保留为相当的“安全”状态？

当其 VCC 电压轨 上升至导通阈值后，

驱动器需要 多长时间才能

开始工作？

它有使能信号吗？

在选择驱动器 IC 之前，

需要回答以上所有问题。

UCC21520-Q1 是 一款双通道隔离式栅极

驱动器，可供 次级侧控制器用来

驱动相移全桥的初级侧

MOSFET。

此器件可用于 驱动高侧和低侧

MOSFET，传播延迟较低。

具体来说， 传播延迟的良好匹配

意味着控制器 发出的开关模式，

也就是 UCC28951-Q1 中的 OUTA、OUTB、OUTC 和 OUTD，

在用于打开 和关闭开关之前

不会出现失真。

此处显示了 用于驱动初级/次级侧 MOSFET 的

替代方法。

ISO7740F-Q1 是 一款数字隔离器，

其输入采用 一个 5V 信号。

因此，需要对来自 UCC28951-Q1 的 10V OUTX 信号

进行一些衰减， 例如使用一个电阻

分压器。

如果使用此器件， 则务必要使用输出

在输入信号丢失时 默认为低电平的

F 型号。

需要单独的 MOSFET 驱动器

来将来自隔离器的 数字信号与 MOSFET

对接。

这不一定就是缺点。

通过将隔离 和驱动器功能分开，

意味着驱动器可以 放置在靠近 MOSFET 的位置，

并且由于初级与 次级隔离栅以及

相关的 PCB 爬电距离和间隙距离，

因此不存在限制。

MOSFET 广泛用于 同步整流器。

它们可以通过将 其源连接到低输出来

轻松进行配置。

这使得它们 相对容易驱动。

这里展示的是 UCC27524A1-Q1 驱动器，

它从控制器获取 栅极驱动信号，

并根据需要 打开和关闭 MOSFET。

与往常一样，通常 需要具有大栅极电容

大电流的低 RDS(on) MOSFET，

以便快速打开 和关闭它们。

TI 提供了许多 相关设计资源，

这里是其中一些资源的链接。

这里是一个 有用的参考资料列表，

您可以在其中 找到关于电源设计

各个方面的 更多信息。

这是本培训 系列的最后一个视频。

非常感谢您的关注。

如果您有任何建议 或遇到任何问题，

请随时与我联系。