ZHCSUV2 April 2024 UCC27614-Q1
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通常,电源开关在接通和关断期间的开关速度应该尽可能快,以更大限度地降低开关功率损耗。栅极驱动器器件必须能够提供所需的峰值电流,以实现逻辑电平 MOSFET、功率 MOSFET、SiC MOSFET 和 IGBT 等目标电源开关器件的目标开关速度。
以功率 MOSFET 为例,系统对开关速度的要求通常通过功率 MOSFET 漏源电压的压摆率(如 dVDS/dt)来描述。例如,在连续导通模式 (CCM) 升压 PFC 转换器应用中,系统可能要求 600V 功率 MOSFET 在 400V 的直流母线电压下,以 100V/ns 或更高的 dVDS/dt 导通。这种类型的应用属于电感式硬开关应用,因此降低开关功率损耗至关重要。该要求意味着在功率 MOSFET 导通事件期间(从关断状态下的 400V 到导通状态下的 VDS(on)),整个漏源电压摆幅必须在约 4ns 或更短的时间内完成。当发生漏源电压摆幅时,功率 MOSFET 的米勒电荷(假设 600V 功率 MOSFET 的 QGD 参数为 32nC)由栅极驱动器的峰值电流提供。根据功率 MOSFET 电感开关机制,此时功率 MOSFET 的栅源电压为米勒平坦区域电压,通常比功率 MOSFET 的阈值电压 VGS(th) 高几伏。
为了实现目标 dVDS/dt,栅极驱动器必须能够在 4ns 或更短的时间内提供 QGD 电荷。换句话说,栅极驱动器必须提供 8A (= 32nC/4ns) 或更高的峰值电流。UCC27614-Q1 系列栅极驱动器能够提供 10A 峰值拉电流和 10A 峰值灌电流,明显超过了设计要求,并能够满足所需的开关速度。这种显著的高驱动能力针对功率 MOSFET 在 QGD 参数方面的器件间差异提供了额外的裕度,同时也为插入外部栅极电阻器并对开关速度进行微调提供了额外的灵活性,以实现效率与 EMI 优化。然而,在实际设计中,PCB 的栅极驱动电路中的寄生引线电感对功率 MOSFET 开关速度具有决定性的作用。该迹线电感会限制栅极驱动器的输出电流脉冲的 dI/dt。为了说明这一点,下面以近似三角曲线的栅极驱动器输出电流脉冲波形为例说明,其中三角曲线下的面积 (½ ×IPeak × time) 将等于 600V 功率 MOSFET 的总栅极电荷(功率 MOSFET 数据表中的 QG 参数)。如果寄生引线电感限制了 dI/dt,则可能会发生这样的情况:在提供开关功率 MOSFET 的 QG 所需的时间内无法完全实现栅极驱动器的完整峰值电流能力。换言之,上述公式中的 time 参数将占主导地位,并且电流脉冲的 IPeak 值远低于驱动器真正的峰值电流能力,同时仍能提供所需的 QG。因此,可能无法实现所需的开关速度,即使理论计算表明栅极驱动器可以实现此目标开关速度。因此,将栅极驱动器器件放置在非常靠近功率 MOSFET 的位置并设计具有最小 PCB 迹线电感的极小栅极驱动环路对于实现快速开关而言非常重要。