超結(jié)高壓功率MOSFET驅(qū)動電路與EMI

劉松 劉瞻 艾結(jié)華 曹雪 張龍

 

功率MOSFET通常由PWM或其它模式的控制器IC內(nèi)部的驅(qū)動源來驅(qū)動，為了提高關(guān)斷的速度，實(shí)現(xiàn)快速的關(guān)斷降低關(guān)斷損耗提高系統(tǒng)效率，在很多ACDC電源、手機(jī)充電器以及適配器的驅(qū)動電路設(shè)計(jì)中，通常使用圖1的驅(qū)動電路，使用合適的開通和關(guān)斷電阻，并使用柵極下拉的PNP管。一些大功率ACDC電源有時為了提高驅(qū)動能力，外部會使用二個對管組成的圖騰柱。

圖1：常用柵極驅(qū)動電路

圖1的驅(qū)動電路的特點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)快速的關(guān)斷，降低關(guān)斷損耗；

（2）減小橋式電路在下管關(guān)斷、上管開通過程中，dV/dt和Crss在下管柵極產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，從而防止下管柵極誤觸發(fā)導(dǎo)通，避免上、下管的直通短路。

圖1的驅(qū)動電路驅(qū)動平面結(jié)構(gòu)和前一代超結(jié)結(jié)構(gòu)的功率MOSFET，可以在各種性能之間取得非常好的平衡，但是，新一低超結(jié)結(jié)構(gòu)的功率MOSFET的開關(guān)速度非常快，因此，使用這樣的驅(qū)動電路，會產(chǎn)生較大的dV/dt和di/dt，從而對EMI產(chǎn)生影響。

 

采用AOD600A70R，其中，R1=150，R2=10，R3=10k，分別在輸入120V&60HZ、264V&50HZ，輸出11V/4A&44W條件下測量關(guān)斷波形，如圖2所示。

(a) 關(guān)斷波形，120V&60HZ

(b) 關(guān)斷波形，264V&50HZ

圖2：采用圖1驅(qū)動電路的關(guān)斷波形

電視機(jī)板上ACDC電源、電腦適配器等由于具有足夠的空間，因此，快的開關(guān)速度實(shí)現(xiàn)高效的同時，可以通過調(diào)整系統(tǒng)輸入端的濾波器實(shí)現(xiàn)EMI的性能。手機(jī)快速充電器內(nèi)部的空間極其有限，因此，很難通過大幅調(diào)整前端的輸入濾波器來保證EMI的性能，這種情況下就需要優(yōu)化驅(qū)動電路來改善系統(tǒng)的性能。當(dāng)然，優(yōu)化驅(qū)動電路對于ACDC電源、電腦適配器，同樣可以提高EMI性能。

 

新一低的超結(jié)結(jié)構(gòu)的功率MOSFET的Coss和Crss強(qiáng)烈的非線性特性導(dǎo)致快速的開關(guān)特性，那么，就需要通過外部柵極-漏極、漏極-源極并聯(lián)電容來改善其非線性特性?；趫D1的驅(qū)動電路，外部并聯(lián)柵極-漏極電容為11pF，如圖3所示，然后測量關(guān)斷波形，如圖4所示。從圖4的波形可以看到，外部并聯(lián)柵極-漏極電容，可以降低di/dt ，但是對dV/dt的影響很小。從EMI的測量結(jié)果來看，無法達(dá)到系統(tǒng)的要求。為了提高系統(tǒng)的安全性，圖中柵極-漏極電容采用二顆高壓陶瓷電容串聯(lián)，C1=C2=22pF。

圖3：外部并聯(lián)柵極-漏極電容驅(qū)動電路

(a) 關(guān)斷波形，120V&60HZ

(b) 關(guān)斷波形，264V&50HZ

圖4：采用圖3驅(qū)動電路的關(guān)斷波形

測試結(jié)果表明；柵極驅(qū)動的速度仍然非?？?，為了實(shí)現(xiàn)開關(guān)速度、開關(guān)損耗和EMI的平衡，去掉柵極的二極管和下拉PNP管，如圖5所示。其中，R2=5.1，關(guān)斷波形如圖6所示。

圖5：無三極管下拉柵極驅(qū)動電路

(a) 關(guān)斷波形，120V&60HZ

(b) 關(guān)斷波形，264V&50HZ

圖6：使用圖5驅(qū)動電路關(guān)斷波形

基于圖5的驅(qū)動電路，柵極-漏極外部并聯(lián)11pF電容，C1=C2=22pF，如圖7所示，測量波形如圖8所示。

圖7：無三極管下拉，外部并聯(lián)柵極-漏極電容

(a) 關(guān)斷波形，120V&60HZ

(b) 關(guān)斷波形，264V&50HZ

圖8：使用圖7驅(qū)動電路關(guān)斷波形

為了能夠控制關(guān)斷的dV/dt，漏極-源極需要并聯(lián)外部電容，如圖9所示。圖9的電路中，加了一個二極管，這樣，關(guān)斷和開通可以使用不同的柵極電阻值，方便系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試優(yōu)化。采用AOD600A70R，其中，C1=C2=22pF，C3=47pF，R1=R2=5.1，關(guān)斷波形如圖10所示。

圖9；優(yōu)化EMI的手機(jī)快充柵極驅(qū)動電路

(a) 關(guān)斷波形，120V&60HZ

(b) 關(guān)斷波形，264V&50HZ

圖10：采用圖9驅(qū)動電路的關(guān)斷波形

 

分別在輸入120V&60HZ、264V&50HZ，輸出11V/4A&44W條件下，使用圖3的驅(qū)動電路，測量相關(guān)的輻射。測量結(jié)果如圖11所示，它們或者超標(biāo)，或者達(dá)不到系統(tǒng)的裕量要求。圖3電路即使在D、S并聯(lián)電容，同樣測試也過不了EMI。

(a) 120V&60HZ，水平

(b) 120V&60HZ，垂直

(c) 264V&50HZ，水平

(d) 264V&50HZ，垂直

圖11：使用圖3驅(qū)動電路的EMI測試結(jié)果

分別在輸入120V&60HZ、264V&50HZ，輸出11V/4A&44W條件下，使用圖9的驅(qū)動電路，測量相關(guān)的輻射，測量結(jié)果如圖12所示，這些結(jié)果都達(dá)到系統(tǒng)裕量的要求。

(a) 120V&60HZ，水平

(b) 120V&60HZ，垂直

(c) 264V&50HZ，水平

(d) 264V&50HZ，垂直

圖12：使用圖9驅(qū)動電路的EMI測試結(jié)果

新一低的超結(jié)結(jié)構(gòu)的功率MOSFET應(yīng)用于功率因素校正PFC以及一些要求高效、高功率密度電源，可以使用圖9的驅(qū)動電路；如果其在PFC中使用多管并聯(lián)，推薦使用圖13電路。如果其應(yīng)用于LLC諧振變換器，使用圖14的電路。

圖13：PFC多管并聯(lián)驅(qū)動電路

圖14：LLC諧振變換器驅(qū)動電路