前面我们讲述了一系列驱动设计的方法,接下来我们会通过一个实例更加详细的分析各种驱动拓扑如何去设计驱动。话不多说,开干!
栅极驱动设计过程在设计功率级并选择功率元件之后开始。 有源钳位反激式转换器的简化最终示意图如下所示。
相关电气参数如下:
VDS1,off=VDS2,off=285V Q1 和 Q2 的关断状态漏源电压。 两个晶体管都在接地 (0V) 和 VIN+VCLAMP 之间切换。
ID1=2.7A Q1 关断时的峰值漏极电流。
TJ=100°C 器件的工作结温。
LR=14uH 有源钳位反激功率级的谐振电感。
UCC3580-4 的指定驱动器输出阻抗和栅极驱动参数为:
OUT1:
VDRV=15V
DMAX1=0.7
fDRV=250kHz
RHI1=20Ω
RLO1=10Ω
OUT2:
VDRV=15V
DMAX2=0.95
fDRV=250kHz
RHI2=33Ω
RLO2=33Ω
根据工作结温并基于前面讲述的方法估算的 MOSFET 参数为:
接下来,建立外部谐振电路的 dv/dt 和器件的 dv/dt。 在节点 A,谐振电感 LR 对有效节点电容进行充电和放电。 电感电流在短开关动作期间几乎没有变化,因此可以将其视为直流电流源。 节点电容和由此产生的功率级 dv/dt 为:
MOSFET 的导通 dv/dt 和防止 dv/dt 感应导通的 dv/dt,limit(假设 RGATE=0Ω)为:
由于谐振 dv/dt 高于为 Q1 和 Q2 晶体管计算的 dv/dt,limit,因此必须在两个驱动电路中使用关断加速电路。 选定的低侧和高侧栅极驱动电路如下所示:
现在,假设驱动器的输出阻抗被分流,则必须重新计算 dv/dt,limit的值。 另外,请注意 QOFF 晶体管 pn 结上的 0.7V 压降。
下一步是计算栅极电阻值。 栅极电阻设置器件的开启 dv/dt,该值必须低于 dv/dt,limit。 减慢导通 dv/dt 可能有利于降低 EMI 和减少整流二极管中的反向恢复问题。 对于此设计,两个晶体管的导通 dv/dt 都限制在 2.3kV/us 以下。 该值选择为之前在满载条件下计算的谐振 dv/dt 的一半。 因此:
此时,低侧驱动器已完全定义。 该过程继续进行栅极驱动变压器设计。 此处省略了此计算的详细信息,可以参照前面讲述的案例进行分析。 进一步计算的栅极驱动变压器的相关特性是:
LM=100uH 变压器的励磁电感。
IM,P=75mA D=0.5 时励磁电流的最大峰值。
高端驱动电路中有两个耦合电容,接下来计算它们的值。假设 ∆VC1=0.65V 和 ∆VC2=0.65V。这两个纹波分量的总和将出现在 Q2 的栅极 (∆VGATE=1.3V)。
其中 D=0.68,对应于上述 Cc1 方程的最大值。
验证交流耦合网络的启动时间常数:
验证 UCC3850 输出驱动器的栅极功率损耗和功耗:
UCC3580 耗散了 731mW 栅极驱动功率损耗中的 284mW。
最后,计算旁路电容值。 旁路电容器为两个 MOSFET 提供栅极电荷、通过两个栅极下拉电阻 RGS1 和 RGS2 的电流以及栅极驱动变压器的磁化电流。 其值可通过以下方式估算: