6 通道射频遥控器采用 CC2500 射频收发器模块和 microchip 的 PIC16F1847 微控制器设计。发射器配有 6 个轻触开关、4 个...
分立栅极驱动器电路
接线图
2024年10月25日 19:43 115
admin
每个功率晶体管与栅极驱动器紧密配合，作为电力电子开关转换器的基本构建块。在导通时，栅极驱动器从去耦电容器获取电荷并将其传送到功率晶体管的栅极电容，同时电流从功率晶体管的源极返回到去耦电容器。为了关断，栅极驱动器将栅极连接到源极以消除栅极上的电荷。高转换速度是高频操作的关键，栅极驱动器必须克服导通和关断环路的电阻和电感，以获得在高频下工作的高效解决方案。这意味着强大的（低电阻）驱动器和低环路电感。
图 2 显示了电源模块分立解决方案的开启 (a) 和关闭 (b) 栅极驱动环路及其杂散电感。杂散电感来自走线和互连，例如引线键合、焊料凸点和 PCB 走线。GaN 器件是横向的，所有电气连接都在同一表面上，允许使用焊料凸块进行晶圆级封装。它们的电感比具有垂直结构的硅 MOSFET 所需的焊线或夹子低得多。具有栅极驱动器的 GaN 晶体管的分立实现具有电容器的等效串联电感 (ESL)、栅极驱动器 V DD、 V SS的焊料凸点或焊线以及栅极和源极中的功率晶体管焊料凸点的电感。和 PCB 走线。这些电感会阻碍功率晶体管栅极电容的充电和放电，从而减慢开关速度并增加换向损耗。
图 2. (a) 离散导通、(b) 离散关断、(c) 集成 GaN 导通、(d) 集成 GaN 关断的功率块栅极驱动环路。 图片由博多电力系统提供 [PDF]
考虑像激光雷达的激光驱动器这样的应用，需要在 1 ns 内开启 100 A 的电流。基础电子学告诉我们 V = L di/ dt。 50 pH 的 L CS会产生 5 V 电压，在栅极驱动阻抗上留下 0 V 电压以开启功率晶体管，从而无法实现所需的 di/dt。虽然这个例子是极端的，但真实的共源电感对电流换向时间的影响在功率转换和电机驱动应用中非常重要。电流换向时间通过等式 1 估算，其中电流换向所需的栅极电荷通过 (Q GS - Q G(TH) ) 估算，R G是集总栅极驱动阻抗，V GS是功率晶体管栅极驱动电压支持换向电流，V DD是栅极驱动器电压。
\(t=\frac{Z_{G}(Q_{GS}-Q_{G(TH)})+L_{CS}I_{D}}{V_{DD}-V_{GS}}\) (1 ) 当前换向时间
\(E=\frac{t*I_{D}*D}{2}\) (2) 由于电流换向时间造成的能量损失
\(P=E*f\) (3) 由于电流换相时间造成的功率损耗
例如，考虑 EPC2088 [5] 硬开启，在 1 MHz 下换向 50 V、25 A。 Q GS = 4.4 nC，Q G(TH) = 3.2 nC，Z G = R G (0.4 Ω) 加上 0.7 Ω 栅极驱动器电阻（忽略栅极驱动环路电感），V DD = 5 V，V GS @ 25 A = 2.3 V，L CS = 100 pH。等式 1 的Z G项得出 t = 600 ps 换向时间。 L CS项导致 1.14 ns 的电流换向时间。在此示例中，65% 的电流换向时间是由于共源电感造成的。使用等式 2 和 3，在每个周期切换 25 A 和 50 V 时会损失 710 ?J 的能量，仅由于共源电感，在 1 MHz 时会消耗 710 mW 的功率。显然，为了减小尺寸并获得高频的系统优势，必须最小化共源电感。
其余栅极驱动环路电感对开关损耗的影响要直接得多，因为它们是 RLC 环路，其中电阻和电感会阻碍栅极电容的充电，如果电感太高，则必须添加电阻来控制栅极过冲和振铃，进一步增加换向损耗。公式 4 显示了栅极环路临界阻尼所需的电阻，其中 R G(on)是总导通栅极环路电阻，LG(on) 是导通栅极环路电感，Lcs 是共源极电感， CGS(on) 是换向电压下的 FET 栅源电容 [4]。由于时间、能量和功率与共源电感呈线性关系，高频功率转换需要特别注意封装和布局。
\(R_{G(on)}\geq\sqrt{\frac{4\times(L_{G(on)}+L_{CS})}{C_{GS(on)}}}\) (4)临界阻尼所需的电阻
考虑功率晶体管与栅极驱动器集成的集成电路。这种集成消除了导通（图 2 (c)）和关断（图 2 (d)）栅极驱动路径中的所有外部共源电感，从而由 IC 设计人员自行决定如何最大限度地减少内部共源电感。精心放置 VDD 和 VSS 端子有助于系统设计人员最大限度地减少迹线电感，从而使电容器等效串联电感 (ESL) 以及 VDD 和 VSS 焊料凸点成为导通栅极驱动环路电感的唯一重要来源。对于关断栅极驱动环路，所有电感都包含在 IC 内，使其达到绝对最小值。
除了减少栅极环路和共源极电感之外，将栅极驱动器与功率晶体管集成还提供了将栅极驱动器与功率晶体管匹配以获得最佳驱动强度的机会。例如 EPC21601（单端 40 V）、EPC21603（LVDS 40 V）和 EPC21701（单端 100 V）。
图 3. EPC23102 的功能框图。图片由博多电力系统提供 [PDF]
这些 GaN IC 专为需要在大于 100 MHz 的频率下切换 15 A 的间接飞行时间而设计。
图 2 显示了电源模块分立解决方案的开启 (a) 和关闭 (b) 栅极驱动环路及其杂散电感。杂散电感来自走线和互连，例如引线键合、焊料凸点和 PCB 走线。GaN 器件是横向的，所有电气连接都在同一表面上，允许使用焊料凸块进行晶圆级封装。它们的电感比具有垂直结构的硅 MOSFET 所需的焊线或夹子低得多。具有栅极驱动器的 GaN 晶体管的分立实现具有电容器的等效串联电感 (ESL)、栅极驱动器 V DD、 V SS的焊料凸点或焊线以及栅极和源极中的功率晶体管焊料凸点的电感。和 PCB 走线。这些电感会阻碍功率晶体管栅极电容的充电和放电，从而减慢开关速度并增加换向损耗。
特别值得关注的是共源电感 (L CS )。这是栅极驱动和电源环路共有的电感。它由功率晶体管源极焊料凸块和分离点之前的任何源极 PCB 走线组成。良好的设计实践是将这些环路尽可能靠近 FET 源极分开。共源电感的影响是电源环路 di/dt 在 L CS上感应出一个电压，该电压会从导通期间施加到功率晶体管的V GS中减去（并在关断期间添加到 V GS上），从而减慢电流换向速度并增加开关损耗[3][4]。
一个。图片由博多电力系统提供 [PDF]
b. 图片由博多电力系统提供 [PDF]
图 2. (a) 离散导通、(b) 离散关断、(c) 集成 GaN 导通、(d) 集成 GaN 关断的功率块栅极驱动环路。 图片由博多电力系统提供 [PDF]考虑像激光雷达的激光驱动器这样的应用，需要在 1 ns 内开启 100 A 的电流。基础电子学告诉我们 V = L di/ dt。 50 pH 的 L CS会产生 5 V 电压，在栅极驱动阻抗上留下 0 V 电压以开启功率晶体管，从而无法实现所需的 di/dt。虽然这个例子是极端的，但真实的共源电感对电流换向时间的影响在功率转换和电机驱动应用中非常重要。电流换向时间通过等式 1 估算，其中电流换向所需的栅极电荷通过 (Q GS - Q G(TH) ) 估算，R G是集总栅极驱动阻抗，V GS是功率晶体管栅极驱动电压支持换向电流，V DD是栅极驱动器电压。
\(t=\frac{Z_{G}(Q_{GS}-Q_{G(TH)})+L_{CS}I_{D}}{V_{DD}-V_{GS}}\) (1 ) 当前换向时间
\(E=\frac{t*I_{D}*D}{2}\) (2) 由于电流换向时间造成的能量损失
\(P=E*f\) (3) 由于电流换相时间造成的功率损耗
例如，考虑 EPC2088 [5] 硬开启，在 1 MHz 下换向 50 V、25 A。 Q GS = 4.4 nC，Q G(TH) = 3.2 nC，Z G = R G (0.4 Ω) 加上 0.7 Ω 栅极驱动器电阻（忽略栅极驱动环路电感），V DD = 5 V，V GS @ 25 A = 2.3 V，L CS = 100 pH。等式 1 的Z G项得出 t = 600 ps 换向时间。 L CS项导致 1.14 ns 的电流换向时间。在此示例中，65% 的电流换向时间是由于共源电感造成的。使用等式 2 和 3，在每个周期切换 25 A 和 50 V 时会损失 710 ?J 的能量，仅由于共源电感，在 1 MHz 时会消耗 710 mW 的功率。显然，为了减小尺寸并获得高频的系统优势，必须最小化共源电感。
其余栅极驱动环路电感对开关损耗的影响要直接得多，因为它们是 RLC 环路，其中电阻和电感会阻碍栅极电容的充电，如果电感太高，则必须添加电阻来控制栅极过冲和振铃，进一步增加换向损耗。公式 4 显示了栅极环路临界阻尼所需的电阻，其中 R G(on)是总导通栅极环路电阻，LG(on) 是导通栅极环路电感，Lcs 是共源极电感， CGS(on) 是换向电压下的 FET 栅源电容 [4]。由于时间、能量和功率与共源电感呈线性关系，高频功率转换需要特别注意封装和布局。
\(R_{G(on)}\geq\sqrt{\frac{4\times(L_{G(on)}+L_{CS})}{C_{GS(on)}}}\) (4)临界阻尼所需的电阻
考虑功率晶体管与栅极驱动器集成的集成电路。这种集成消除了导通（图 2 (c)）和关断（图 2 (d)）栅极驱动路径中的所有外部共源电感，从而由 IC 设计人员自行决定如何最大限度地减少内部共源电感。精心放置 VDD 和 VSS 端子有助于系统设计人员最大限度地减少迹线电感，从而使电容器等效串联电感 (ESL) 以及 VDD 和 VSS 焊料凸点成为导通栅极驱动环路电感的唯一重要来源。对于关断栅极驱动环路，所有电感都包含在 IC 内，使其达到绝对最小值。
除了减少栅极环路和共源极电感之外，将栅极驱动器与功率晶体管集成还提供了将栅极驱动器与功率晶体管匹配以获得最佳驱动强度的机会。例如 EPC21601（单端 40 V）、EPC21603（LVDS 40 V）和 EPC21701（单端 100 V）。
图 3. EPC23102 的功能框图。图片由博多电力系统提供 [PDF]
这些 GaN IC 专为需要在大于 100 MHz 的频率下切换 15 A 的间接飞行时间而设计。
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