超结高压功率MOSFET驱动电路与EMI

刘松 刘瞻 艾结华 曹雪 张龙

 

功率MOSFET通常由PWM或其它模式的控制器IC内部的驱动源来驱动，为了提高关断的速度，实现快速的关断降低关断损耗提高系统效率，在很多ACDC电源、手机充电器以及适配器的驱动电路设计中，通常使用图1的驱动电路，使用合适的开通和关断电阻，并使用栅极下拉的PNP管。一些大功率ACDC电源有时为了提高驱动能力，外部会使用二个对管组成的图腾柱。

图1：常用栅极驱动电路

图1的驱动电路的特点：

（1）实现快速的关断，降低关断损耗；

（2）减小桥式电路在下管关断、上管开通过程中，dV/dt和Crss在下管栅极产生的感应电压，从而防止下管栅极误触发导通，避免上、下管的直通短路。

图1的驱动电路驱动平面结构和前一代超结结构的功率MOSFET，可以在各种性能之间取得非常好的平衡，但是，新一低超结结构的功率MOSFET的开关速度非常快，因此，使用这样的驱动电路，会产生较大的dV/dt和di/dt，从而对EMI产生影响。

 

采用AOD600A70R，其中，R1=150，R2=10，R3=10k，分别在输入120V&60HZ、264V&50HZ，输出11V/4A&44W条件下测量关断波形，如图2所示。

(a) 关断波形，120V&60HZ

(b) 关断波形，264V&50HZ

图2：采用图1驱动电路的关断波形

电视机板上ACDC电源、电脑适配器等由于具有足够的空间，因此，快的开关速度实现高效的同时，可以通过调整系统输入端的滤波器实现EMI的性能。手机快速充电器内部的空间极其有限，因此，很难通过大幅调整前端的输入滤波器来保证EMI的性能，这种情况下就需要优化驱动电路来改善系统的性能。当然，优化驱动电路对于ACDC电源、电脑适配器，同样可以提高EMI性能。

 

新一低的超结结构的功率MOSFET的Coss和Crss强烈的非线性特性导致快速的开关特性，那么，就需要通过外部栅极-漏极、漏极-源极并联电容来改善其非线性特性。基于图1的驱动电路，外部并联栅极-漏极电容为11pF，如图3所示，然后测量关断波形，如图4所示。从图4的波形可以看到，外部并联栅极-漏极电容，可以降低di/dt ，但是对dV/dt的影响很小。从EMI的测量结果来看，无法达到系统的要求。为了提高系统的安全性，图中栅极-漏极电容采用二颗高压陶瓷电容串联，C1=C2=22pF。

图3：外部并联栅极-漏极电容驱动电路

(a) 关断波形，120V&60HZ

(b) 关断波形，264V&50HZ

图4：采用图3驱动电路的关断波形

测试结果表明；栅极驱动的速度仍然非常快，为了实现开关速度、开关损耗和EMI的平衡，去掉栅极的二极管和下拉PNP管，如图5所示。其中，R2=5.1，关断波形如图6所示。

图5：无三极管下拉栅极驱动电路

(a) 关断波形，120V&60HZ

(b) 关断波形，264V&50HZ

图6：使用图5驱动电路关断波形

基于图5的驱动电路，栅极-漏极外部并联11pF电容，C1=C2=22pF，如图7所示，测量波形如图8所示。

图7：无三极管下拉，外部并联栅极-漏极电容

(a) 关断波形，120V&60HZ

(b) 关断波形，264V&50HZ

图8：使用图7驱动电路关断波形

为了能够控制关断的dV/dt，漏极-源极需要并联外部电容，如图9所示。图9的电路中，加了一个二极管，这样，关断和开通可以使用不同的栅极电阻值，方便系统设计和调试优化。采用AOD600A70R，其中，C1=C2=22pF，C3=47pF，R1=R2=5.1，关断波形如图10所示。

图9；优化EMI的手机快充栅极驱动电路

(a) 关断波形，120V&60HZ

(b) 关断波形，264V&50HZ

图10：采用图9驱动电路的关断波形

 

分别在输入120V&60HZ、264V&50HZ，输出11V/4A&44W条件下，使用图3的驱动电路，测量相关的辐射。测量结果如图11所示，它们或者超标，或者达不到系统的裕量要求。图3电路即使在D、S并联电容，同样测试也过不了EMI。

(a) 120V&60HZ，水平

(b) 120V&60HZ，垂直

(c) 264V&50HZ，水平

(d) 264V&50HZ，垂直

图11：使用图3驱动电路的EMI测试结果

分别在输入120V&60HZ、264V&50HZ，输出11V/4A&44W条件下，使用图9的驱动电路，测量相关的辐射，测量结果如图12所示，这些结果都达到系统裕量的要求。

(a) 120V&60HZ，水平

(b) 120V&60HZ，垂直

(c) 264V&50HZ，水平

(d) 264V&50HZ，垂直

图12：使用图9驱动电路的EMI测试结果

新一低的超结结构的功率MOSFET应用于功率因素校正PFC以及一些要求高效、高功率密度电源，可以使用图9的驱动电路；如果其在PFC中使用多管并联，推荐使用图13电路。如果其应用于LLC谐振变换器，使用图14的电路。

图13：PFC多管并联驱动电路

图14：LLC谐振变换器驱动电路