低侧栅极驱动器的应用设计指南

2024-03-14 www.bob.com

  器的等效电路来计算如何合理的选取RGATE电阻的阻值,既要保持MOS管的良好开关性能,还要有效抑制振铃的产生。通过计算后的理论值来实验,能够最大化的选取合理的RGATE阻值。另外针对栅极驱动回路中,导通和关断回路进行了不同的结构形态的计算,来研究有无串联带来的影响,同时针对三种结构的电路进行功耗计算,最后文章中给出低侧栅极驱动器Layout中的需要注意的几点,还有不同值不同带来的替换差异。本文能够在一定程度上帮助客户快速理解低侧栅极驱动器的相关计算。

  以上参数中,RLO能够最终靠查阅datasheet直接得到,由于驱动芯片内部是NMOS和PMOS并联混合上拉结构,所以在计算中RHI≈RLO *1.5;MOSFET内部的RG,I能够最终靠查阅datasheet得到,如果规格书内未注明RG,I可使用LCR电桥在GS两端施加1MHz的测试信号,测得Rs值即为RG,I。

  图1-1展示了实际电路中的谐振回路,寄生电感LS和输入电容GISS产生高频谐振,而RG则是起到衰减谐振的作用,Q为阻尼系数,一般取0.5。

  使用RS8801驱动MOS-IRFB3607,外部栅极电阻RGATE取0Ω进行初步实验,使用探头x10档、接地弹簧得到以下波形:

  驱动MOS需要遵守 “慢开快关“的原则 ,慢开是指MOS管开通时不能因驱动波形振荡而引起EMI问题,快关则是指MOS管关断要尽可能的快,一方面能够减小关断损耗,另一方面在半桥驱动的场合保证死区时间,防止炸管。但是前文中RGATE阻值已经确定,如何才能做到不改变RGATE的情况下快速关断MOS呢?见下图2-1

  左图是没有D1的关断波形,下降沿大约70nS,右图是加了快速关断二极管D1的关断波形,下降沿约为22nS,可以看到D1的效果十分明显。

  D1的选型需要关注Trr(反向恢复时间)、开关频率这两个参数,为了不影响开通时的电流路径我们希望Trr越小越好,同时二极管最大开关频率也要匹配开关管的工作频率,所以低Trr、高开关频率的肖特基二极管(Trr一般在10nS左右,频率可以上GHz)十分适用于此应用场合。

  但是这又引入了一个新的问题:关断时的电流直接通过二极管而不经过电阻进入驱动器,相较于不加二极管的电路,会让芯片关断时功耗增加,从而提高整个开关周期内的功耗。

  为了保证快速关断二极管优势的同时降低芯片功耗,于是有了以下图2-3电路。

  图2-3的电路在二极管端增加了一个5.1Ω限流电阻,这样能减小关断期间驱动器的功耗,从而降低驱动器整体功耗,但是在降低功耗的同时也降低了关断速度(见下图),如果想加快关断速度,可以将限流电阻继续减小。

  栅极驱动芯片工作时产生的高速脉冲需要从VDD电容汲取能量,规格书中推荐电容取值1uF,考虑到很多客户可能会习惯性的取100nF作为滤波电容,故以图2-5电路做以下实验(PWM=300kHz):

  从绿色的OUT波形来看,两种容值效果接近,但从是蓝色波形能够正常的看到使用100nF时,VDD电压波动较大,考虑到芯片的UVLO-OFF阈值电压约为4V,在供电较低的应用中要关注VDD电压的波动不能触及UVLO-OFF阈值电压。

  许多工程师喜欢在上下拉的引脚中串联一个电阻后接到电源或地,但是对于RS8801却不建议这么做,原因是芯片内部上下拉电阻为200kΩ,如果在外部串接电阻会使得引脚上产生分压,可能引起电路工作异常。

  从这个案例能够正常的看到一旦外置上下拉电阻取值不合理,就会引起整个电路工作异常,因此建议上下拉的时候别串联电阻。但是当使用一个信号控制多片RS8801时,三极管(或MOS管)的下拉电阻是必须的,所以遇到这一种应用更要重点检查阻值选取是否合理。

  以图1-2的电路为例:ROL=0.5Ω 、ROH=1.5*ROL=0.75Ω 、RGATE=5.1Ω 、RG,I=0.55Ω、VDD=12V、

  则芯片功耗为0.025W,随后计算RGATE功耗的时候只需要将两项功耗比例的分子改为RGATE的阻值,可得RGATE功耗为0.2W,此时芯片功耗较低,但是RGATE功耗很大,至少要选取1206封装,如果想减小RGATE封装,可适当增大其阻值。

  以图2-1的电路为例:ROL=0.5Ω 、ROH=1.5*ROL=0.75Ω 、RGATE=5.1Ω 、RG,I=0.55Ω、VDD=12V、QG≈70nC;假设fsw=300kHz。

  以图2-3的电路为例:ROL=0.5Ω 、ROH=1.5*ROL=0.75Ω、RGATE=5.1Ω 、RG,I=0.55Ω、RLIM=5.1Ω、VDD=12V、QG≈70nC;假设

  栅极驱动器工作的时候有三大环路:绿色的Source环路、红色的Sink环路、蓝色的控制环路

  开关管输入电容下端驱动器下管RGATE开关管输入电容上端输入电容下端即开关管的地,驱动器下管即驱动器的地,这两个地之间的寄生电感会引起驱动器OUT端产生负压,从而引起驱动器失效,所以Layout的时候不光要关注输出线,回流地线、替代料的关注点

  改善方法:拆除D1和RLIM,将RGATE增加至10Ω,改善后的波形如下:

  从上述两个品牌芯片调试案例来看,增大RGATE似乎是最简单有效的,但为了稳定波形去掉了加速关断二极管,使整个关断周期超过150nS,这增加了关断损耗,所以说增大RGATE是一把双刃剑。

  对处于新设计阶段的客户,建议在外部上下拉的电路中不要串联电阻,因为各个品牌芯片的内置上下拉电阻阻值各不相同,有极大几率会出现替代后无法正常工作的情况。

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