Isolated DC/DC Power Converter(二)

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，各類分立器件應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛。金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET），以其低功耗、高頻率開關(guān)速度的特點(diǎn)在現(xiàn)代電路中得到大力發(fā)展。但是隨著功率開關(guān)場效應(yīng)晶體管朝著高頻化發(fā)展，針對場效應(yīng)開關(guān)管的驅(qū)動電路設(shè)計要求也愈來愈高。作為一名FAE工程師，長期接觸和服務(wù)于各類電子產(chǎn)品，通過掌握的一手資料發(fā)現(xiàn)，絕大部分開關(guān)管的損壞原因是由于驅(qū)動電路故障和隔離失效引起。設(shè)計可靠、簡單的驅(qū)動電路是MOSFET在電力電子系統(tǒng)中可靠運(yùn)行的前提。

電路設(shè)計是一項綜合性較強(qiáng)的作業(yè)，要求要有較為全面的電子電路基礎(chǔ)。首先熟悉元器件，要對各種元器件的特性、作用有了解；其次要熟知經(jīng)典電子電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并順利對完整的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行串讀：最后對每個位置應(yīng)用元器件的作用及安規(guī)參數(shù)范圍有所認(rèn)識。除了上述三點(diǎn)基礎(chǔ)要求，其實(shí)還有圖形軟件EDA的使用，要熟知PCB布線的規(guī)則要求等等，方能經(jīng)行設(shè)計工作。一款終端產(chǎn)品往往是從簡單的功能藍(lán)圖開始，即設(shè)計出來的產(chǎn)品要滿足哪些要求，實(shí)現(xiàn)什么功能，這是產(chǎn)品的開始。而電子設(shè)計工程師往往要把這些功能要求通過專業(yè)能力轉(zhuǎn)換成圖形語言最后輸出SCH（Schematic）原理圖。

SCH（Schematic）原理圖的具體設(shè)計過程是需要大量計算。上圖是一個變壓器隔離驅(qū)動DC/DC模塊部分。圖中Q1和Q2是兩個高壓功率MOSFET,該電路為了保障MCU輸出的占空比，提高電源末端輸出效率，Q1和Q2采用半橋結(jié)構(gòu)。

在控制回路中，一般MCU產(chǎn)生PWM弱電流信號，能有效驅(qū)動功率開關(guān)管非常困難，即便是使用大電流的驅(qū)動芯片，模擬信號也存在較大電磁干擾，因此要額外增加驅(qū)動電路才能有效開啟場效應(yīng)管。功率電路和驅(qū)動電路電壓、電流完全不同，驅(qū)動電路中引入強(qiáng)電會對系統(tǒng)造成不可逆的損壞，并且為了保障驅(qū)動電路工作的穩(wěn)定性，減少電路出現(xiàn)電磁干擾造成的開關(guān)誤動作，因此采用變壓器隔離控制方式是設(shè)計驅(qū)動電路的最優(yōu)方案。

如上圖所示，T2為變壓器，用來驅(qū)動組成半橋結(jié)構(gòu)的Q1和Q2 MOSFET。當(dāng)MCU U1為OH高電平信號，變壓器T2次極上端感應(yīng)為上正下負(fù)，下端感應(yīng)為上負(fù)下正，此時Q1導(dǎo)通，Q2斷開，輸出為VHDC高電平；當(dāng)MCU U1為OL低電平信號，變壓器T2次極上端感應(yīng)為上負(fù)下正，下端感應(yīng)為上正下負(fù)，此時Q1斷開，Q2導(dǎo)通，輸出端和GND接通，輸出低電平。這是上圖變壓器隔離驅(qū)動控制的工作機(jī)理。

穩(wěn)定安全是電子電路最基本的要求，要實(shí)現(xiàn)電路穩(wěn)定安全與進(jìn)行嚴(yán)密的數(shù)學(xué)邏輯運(yùn)算是分不開的。根據(jù)場效應(yīng)(Cmos)多年服務(wù)客戶經(jīng)驗(yàn)，對經(jīng)典常用電路做了部分參數(shù)的總結(jié)，這些總結(jié)信息可以幫助讀者在遇到類似電路時可以更快更準(zhǔn)確的經(jīng)行相關(guān)物料選擇與應(yīng)用。

電阻選擇

MOSFET柵極控制信號的穩(wěn)定性對電路可靠性起著決定性的影響。如上圖電路，由于MOSFET的柵極附近有雜散電容（包括自身寄生電容和電路并聯(lián)電容），有布線原因產(chǎn)生的寄生電感（計算得到1mm的布線可以產(chǎn)生1nH電感），為了改變PWM前后的坡度和防止沖擊，降低電壓尖峰，在設(shè)計電路時，往往選擇串入合適的電阻。具體到上面的電路中，R8和R26的值過大時，導(dǎo)通時間變化會很長，熱損耗加??；當(dāng)R8和R26過小，電流瞬間變化(di/dt)會很大,導(dǎo)致管子損壞。結(jié)合這些特點(diǎn)，對R8和R26值的選擇應(yīng)依據(jù)允許電流、電壓和工作頻率。通常驅(qū)動電阻上圖中的R8和R26阻值選擇在幾歐至幾十歐姆之間，并可以外加反向快速恢復(fù)二極管D9和D19加快驅(qū)動關(guān)斷速度。

另外需要在柵極和源極并聯(lián)電阻R15和R30，叫做保護(hù)電阻，用以保護(hù)作用。避免開關(guān)動作的瞬間產(chǎn)生尖峰電壓，驅(qū)動電路輸出兩端的高壓會使開關(guān)管產(chǎn)生誤動作將其擊穿，這時若驅(qū)動電路輸出兩端加入電阻R15和R30，能把短時間產(chǎn)生的電能釋放掉，這樣就對場效應(yīng)管Q1和Q2起到了保護(hù)作用。R15和R30的取值一般在1KΩ至10KΩ，不宜過大，以此來確保電荷能快速釋放掉。

結(jié)論

本文結(jié)合多年工程項目經(jīng)驗(yàn)，對場效應(yīng)開關(guān)管的驅(qū)動電路進(jìn)行研究，總結(jié)和歸納了在半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中驅(qū)動控制電路相關(guān)參數(shù)的選擇，分享給大家，希望對各位半導(dǎo)體從業(yè)者有所幫助。

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