不要忘了肌肉:栅极驱动器

不要忘了肌肉:栅极驱动器

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记得今年早些时候的一篇博客文章将功率因数校正(PFC)比作啤酒吗?这个比喻太精彩了!在这一类比中,杯中啤酒代表电子装置实际上需要的“有功功率”,顶部的泡沫代表“无功功率”,整杯啤酒加上泡沫代表“表观功率”。今天,我打算提出一个相关的比喻来解释栅极驱动器在PFC设计中的作用。

首先,让我们来简单介绍一下PFC电路的分类。PFC电路整体上分为无源(被动式)或有源(主动式)电路。创建无源PFC电路,需要使用电容器和电感器等无源元件增加电流导通角并平滑脉冲,减少电流的谐波失真。这种方法简单可靠,但是,当功率较高时,无源元件的尺寸和成本会成为较大的问题。无源PFC设计获得的功率因数(PF)只能达到0.9,而且会受到频率、负载变化和输入电压的影响。

有源PFC使用DC/DC电路,电路中有MOSFET、绝缘栅双极晶体管(IGBT)或其他有源元件,以强制电流保持电压的波形和相位。与无源PFC相比,有源PFC可以获得更高的PF,而且对输入电压没有严格要求。有源PFC的缺点包括相对复杂的电路;效率也会受到有源元件损耗的影响。

可以使用不同的拓扑结构来实现有源PFC电路,例如升压PFC(也称为传统PFC)、双升压无桥PFC和图腾柱无桥PFC。每种拓扑结构包含不同数量的有源元件,都有自己的优点和缺点。当设计PFC时,应该考虑每种拓扑结构的效率和额定功率,然后决定使用哪种类型的控制器。然而,许多设计者忽视的部分是连接控制器切换FET的栅极驱动器。栅极驱动器显得太普通而不被人关注,但是栅极驱动器对于系统性能具有重要作用。

栅极驱动器本质上是用最少的开关损耗将逻辑信号提高为高电流和高电压信号实现快速导通和关断MOSFET或IGBT的放大器。同样以与啤酒相关东西来类比,电源开关MOSFET或IGBT就像是啤酒龙头手柄,栅极驱动就像调酒师手上的肌肉,控制器就像调酒师大脑。调酒师的技能和龙头手柄的质量都会影响杯中实际能够得到的啤酒量。

在PFC电路中,栅极驱动器切换升压级中的晶体管,以调节电流,强制电流与正弦波电压保持相同的相位。那么,栅极驱动器如何影响PFC电路的性能?几个参数和功能起着至关重要的作用:

  • 驱动电流。虽然不是每个应用都需要强大的电流驱动(较大的瞬态电流可能产生电磁干扰(EMI)问题),较高功率的应用将需要更强的电流驱动同时驱动多个场效应晶体管(FET)。因此,高驱动电流为范围广阔的功率应用提供了灵活性。
  • 开关特性。包括传播延迟、延迟匹配、以及信号的上升和下降时间。开关时间会大大地影响电源开关的速度,使控制更可预测和准确。短延迟匹配还降低了击穿风险,使设计更容易。
  • 互锁功能。击穿保护,也称为互锁功能,在使用半桥式或全桥式电路的一些应用中非常重要。在图腾柱PFC中,两个电源开关(一个高侧FET,一个低侧FET)交替导通和关断。如果两个开关同时导通,电流会流过两个FET,可能会损坏系统。互锁功能可以防止击穿发生,将两个FET都关断,并在短时间内导通其中一个。正如德州仪器的《基于GaN FET的CCM图腾柱无桥PFC》电源设计研讨会论文中所描述,此设计使用两个硅MOSFET和两个氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)降低传导损耗。需要两个驱动器:一个半桥驱动器驱动常规硅MOSFET,另一个半桥驱动器驱动GaN晶体管。TI的600V LMG3410 GaN功率级将桥式驱动器和GaN晶体管集成到一个封装内,进一步降低了功耗,改善了EMI。为了驱动硅FET,具有互锁功能的桥式驱动器提高了设计的可靠性。

随着更多国家的法规强制要求更高的效率,PFC将在各种应用中使用的越来越多。明智地选择拓扑结构和元件可以让PFC更高效,满足需求。而且不要忘了栅极驱动器——调酒师手上的肌肉。

现在已经了解了栅极驱动器的重要性,但在PFC设计中大脑起着更重要的作用。德州仪器提供了广泛的PFC控制器解决方案,包括用于单相和多相交错PFC的模拟和数字控制器。

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其他信息

原文链接

http://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2016/09/20/don-39-t-forget-gate-driver-it-s-the-muscle

  • 驱动电流,开关特性,互锁功能,以前从没注意过栅极驱动器的这几个方面,读了这篇文章才发现竟然如此重要,以后有机会会使用到自己的产品中。

  • 驱动电流,开关特性,互锁功能这3点,我们以前一直只关注前2点了,通过今天的学习,才发现互锁功能也很重要,以后设计的时候,一定要多多注意

  • 对PFC设计中的驱动电流、开关特性以及互锁功能有了更进一步的认识,需要结合具体电路具体分析,《基于GaN FET的CCM图腾柱无桥PFC》文章也给了我新的启示,目前采用的PFC是基于TI的UCC28070这款芯片来设计的,控制电路很精简,比单相的PFC在效率上提高了很多,工作在CCM模式下,采用交错并联BOOST结构,大大减小了输出输入纹波。