在功率逆變器系統(tǒng)架構(gòu)和配置，需要用到 MOSFET 和高側(cè)/低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器，并且要評(píng)估將所有這些部分集成到一個(gè)健壯的系統(tǒng)中并有效地實(shí)施它需要徹底了解系統(tǒng)的損失機(jī)制，以及如何平衡權(quán)衡。在這篇文章中，我將討論 48V 系統(tǒng)中的損耗機(jī)制、高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)權(quán)衡、寄生電感/電容以及印刷電路板 (PCB) 布局注意事項(xiàng)。
看看圖 1 所示的 48V 逆變器系統(tǒng)的功率級(jí)。它包括三個(gè) MOSFET 半橋和相應(yīng)的高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器。
圖 1：48V 系統(tǒng)逆變器的功率級(jí)
圖 2 顯示了一個(gè)簡(jiǎn)化的電路，該電路具有圖 1 中高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器和 MOSFET 半橋的配置。該功率級(jí)的損耗在整個(gè) 48V 逆變器系統(tǒng)的功率損耗中占主導(dǎo)地位，它包括開(kāi)關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗。Peter 的帖子討論了傳導(dǎo)損耗和開(kāi)關(guān)損耗之間的權(quán)衡。給定選定的功率 MOSFET 和系統(tǒng)額定功率，傳導(dǎo)損耗是預(yù)先確定的，因?yàn)榕c電流紋波相關(guān)的均方根 (RMS) 電流是由電機(jī)預(yù)先確定的。然而，開(kāi)關(guān)損耗取決于柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)。
圖 2：一個(gè)相腳的簡(jiǎn)化電路
(1)
圖 3 顯示了具有開(kāi)啟、關(guān)閉和開(kāi)啟反向恢復(fù)功能的 MOSFET 的簡(jiǎn)化分段線性開(kāi)關(guān)損耗機(jī)制。圖 3 中重疊的 V DS和 I D，t 1 ~t 3產(chǎn)生開(kāi)關(guān)能量，由 V DS和 I D的乘積的積分表示，表示為公式 1：
圖 3：簡(jiǎn)化的分段線性開(kāi)關(guān)損耗機(jī)制
給定一定的開(kāi)關(guān)電壓和電流，開(kāi)關(guān)能量由 決定。驅(qū)動(dòng)器的輸出峰值源/灌電流 I PK_Source/Sink和一個(gè) MOSFET 的寄生電容決定了開(kāi)關(guān)周期。等式 2 估計(jì)從 t 2(b)到 t 3的區(qū)間：
(2)
因此，柵極峰值電流驅(qū)動(dòng)能力對(duì)開(kāi)關(guān)損耗非常關(guān)鍵。理想情況下，柵極驅(qū)動(dòng)器的電流能力越高，損耗越小。但遺憾的是，較高的驅(qū)動(dòng)電流會(huì)帶來(lái)較高的 dv/dt 和 di/dt，并通過(guò)寄生效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。圖 4 顯示了考慮寄生效應(yīng)的自舉高端和低端驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)。如圖所示，在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn) SW 上的 dv/dt 較高時(shí)，更多噪聲將通過(guò)自舉電平轉(zhuǎn)換器中的寄生電容 CIO 和自舉二極管的結(jié)電容耦合到初級(jí)側(cè)（見(jiàn)紅色陰影部分）帶箭頭的路徑）。
此外，器件上較高的 di/dt 會(huì)通過(guò)共源電感 L SS在柵極驅(qū)動(dòng)器環(huán)路上產(chǎn)生更多噪聲。通過(guò)減慢驅(qū)動(dòng)能力，電壓降 將始終與柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)相矛盾。電壓降還會(huì)在 MOSFET 的柵極-源極引腳上引起明顯的振鈴，或在 MOSFET 和柵極驅(qū)動(dòng)器輸出引腳上產(chǎn)生過(guò)沖/下沖，從而導(dǎo)致可靠性問(wèn)題，甚至損壞被測(cè)器件 (DUT)。
圖 4：考慮寄生效應(yīng)的柵極驅(qū)動(dòng)電路
考慮到 48V 系統(tǒng)的每個(gè)相腳有兩個(gè)有源 MOSFET，硬開(kāi)關(guān)和反向恢復(fù)損耗會(huì)顯著增加開(kāi)關(guān)損耗；主要原因是因?yàn)?MOSFET 的寄生體二極管很差。重要的是，di/dt 對(duì)反向恢復(fù)電荷和性能有很大的影響。較高的 di/dt 會(huì)導(dǎo)致較高的反向恢復(fù)電荷和電流，可能是額定開(kāi)關(guān)電流的 5 到 10 倍。
圖 3(c) 顯示了考慮反向恢復(fù)的分段線性導(dǎo)通波形。圖 5 顯示了一個(gè)示例開(kāi)啟/關(guān)閉實(shí)驗(yàn)波形。從圖 5(b) 可以看出，當(dāng)開(kāi)關(guān)通過(guò)寄生體二極管硬導(dǎo)通時(shí)，會(huì)出現(xiàn)很大的反向恢復(fù)電流，這不僅會(huì)導(dǎo)致柵極驅(qū)動(dòng)電壓出現(xiàn)明顯的電流應(yīng)力和較大的振蕩。開(kāi)關(guān)，也顯著增加了開(kāi)關(guān)損耗。其他不利影響包括電磁干擾 (EMI)、控制接地噪聲、設(shè)備/驅(qū)動(dòng)器損壞和低可靠性。
圖 5：硬開(kāi)關(guān)開(kāi)啟/關(guān)閉波形
因此，應(yīng)考慮最小化開(kāi)關(guān)損耗以及保持可接受的 dv/dt、di/dt 和反向恢復(fù)性能來(lái)確定適當(dāng)?shù)臇艠O電阻大小。這種權(quán)衡的一種解決方案是在柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)上拆分開(kāi)啟/關(guān)閉（參見(jiàn)圖 4，它具有不同的 R ON和 R OFF）。較小的 R OFF會(huì)降低關(guān)斷損耗（確保 dv/dt 不超過(guò)驅(qū)動(dòng)器的規(guī)格），并且 R ON可以將反向恢復(fù)性能控制在可接受的水平。
圖 6 提供了有關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)電阻及其對(duì)反向恢復(fù)電流 I rr影響的線索。要在柵極驅(qū)動(dòng)器上實(shí)現(xiàn)清晰且銳利的波形并最大限度地減少 MOSFET 上的 V DS電壓尖峰，需要仔細(xì)布局。我建議盡量減少柵極驅(qū)動(dòng)器環(huán)路的環(huán)路電感，并盡量減少耦合共源電感 L SS。
圖 6：峰值反向恢復(fù)電流與開(kāi)啟電阻和 Id
對(duì)于 48V 系統(tǒng)應(yīng)用，TI 的 UCC27282-Q1 可提供 120V、±3A 的驅(qū)動(dòng)能力，從而為您提供更大的靈活性以最大限度地降低開(kāi)關(guān)損耗。更重要的是，其 HS 引腳上最先進(jìn)的電壓轉(zhuǎn)換速率為 50V/ns，與 HS 引腳上的最大負(fù)電壓 -14V（重復(fù)脈沖）相結(jié)合，使您能夠進(jìn)一步推動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的峰值-電流能力，同時(shí)仍保持穩(wěn)健性。UCC27282 -Q1 還集成了一個(gè)具有 0.55V 正向壓降和 1.5Ω 動(dòng)態(tài)電阻的 120V 自舉二極管，可將電荷可靠地傳輸?shù)阶耘e電容器。
