MOSFET的諧極驅(qū)動(dòng)

1．引言
　　　　　　　　　
　　在過去的十幾年中，大功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）引發(fā)了電源工業(yè)的革命，而且大大地促進(jìn)了電子工業(yè)其他領(lǐng)域的發(fā)展。由于MOSFET具有更快的開關(guān)速度，電源開關(guān)頻率可以做得更高，從20kHz到200kHz甚至400kHz到現(xiàn)在的MHz。開關(guān)電源的體積變得更小，由此產(chǎn)生了大量使用小型電源的新產(chǎn)品。開關(guān)頻率的提高加快了暫態(tài)響應(yīng)速度，縮小了元件體積，提高了功率密度。但是也帶來(lái)了一些問題，如高開關(guān)頻率造成了過大的開關(guān)損耗，使得電源效率的降低。 [1]

　　然而功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）的驅(qū)動(dòng)損耗限制了功率變換器在高開關(guān)頻率下的效率。利用LC諧振技術(shù)可以降低這種損耗，而且在充放電的過程中恢復(fù)了大部分的能量，對(duì)門極電壓進(jìn)行了有效的鉗位，而且不會(huì)限制占空比。

2．MOSFET的驅(qū)動(dòng)損耗

　　幾乎所有的現(xiàn)在MOSFET功率變換器都用傳統(tǒng)的圖騰柱驅(qū)動(dòng)，電源VDD提供的總的能量　　　　　　

圖1　MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路
（1）式中Ts是開關(guān)周期，F(xiàn)s是開關(guān)頻率，iDD是跟隨VDD的瞬態(tài)電流。這個(gè)電流會(huì)隨主MOSFET的電壓Vgs從0變到VDD而變化。而門極的電流總量是

公式（3）描述了一個(gè)門極驅(qū)動(dòng)損耗和開關(guān)頻率的關(guān)系。更重要的是它反映了兩方面的問題：

1）　對(duì)于特定的應(yīng)用和一個(gè)給定的VDD ，如果頻率不變，那損耗的系數(shù)就不能改變了。
2）　降低門極阻抗RG（一個(gè)包含了MOSFET門極阻抗，驅(qū)動(dòng)設(shè)備開通阻抗和其他配線和封裝阻抗的集總參數(shù)）并不能使驅(qū)動(dòng)損耗降低。一個(gè)更小的RG使充放電時(shí)間減少，但是升高了電流幅值，驅(qū)動(dòng)損耗并不改變。

3．諧振驅(qū)動(dòng)技術(shù)

　　為了降低（3）中的損耗，諧振驅(qū)動(dòng)技術(shù)受到了重視，它利用一個(gè)LC電路去給MOSFET的VGS充電和放電。C是固有的門極電容L根據(jù)情況來(lái)設(shè)定。
使用門極驅(qū)動(dòng)技術(shù)要考慮以下因素：

A．　高頻PWM變換器需要較快的門極驅(qū)動(dòng)速度

　　對(duì)于非諧振變換器，PWM變換器的開關(guān)損耗隨著其頻率的升高快速增加。首先，必需降低VGS 上升下降轉(zhuǎn)換時(shí)間讓它維持在一個(gè)穩(wěn)定的損耗水平。而且，VGS 轉(zhuǎn)換時(shí)間限制了最大和最小的占空比。當(dāng)開關(guān)頻率變高時(shí)，同樣的占空比范圍需要更小的轉(zhuǎn)換時(shí)間。

　　大部分的商用功率MOSFET管都是增強(qiáng)型設(shè)備（Vth>0的N溝道），一些諧振驅(qū)動(dòng)的放電電壓VGS會(huì)由于LC并聯(lián)諧振[2][3]而降到0V以下。過多的VGS 振蕩延遲了開通轉(zhuǎn)換，降低了可用的占空范圍，而且會(huì)有額外的 驅(qū)動(dòng)能量。

B．　防止高頻開關(guān)狀態(tài)下的誤導(dǎo)通

　　當(dāng)開關(guān)管工作在高頻狀態(tài)造成VGS轉(zhuǎn)換時(shí)間上升時(shí)，PWM變換器的開關(guān)點(diǎn)S電壓下降速度（dV/dt）就會(huì)加快。S點(diǎn)在圖2的同步BUCK變換器上。當(dāng)有M1導(dǎo)通，S點(diǎn)的電壓迅速下降，給M2的寄生電容CGD注入一個(gè)瞬態(tài)電流（iDG CGD （dV/dt））。如果iDG過高，產(chǎn)生了開關(guān)電壓VGS，M2就會(huì)誤導(dǎo)通[4]。為了不讓M2誤導(dǎo)通，一個(gè)低阻抗的通路必須存在于它的柵極和源極之間（如圖3）。

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