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淺談半橋或全橋中的開關 FET 和死區時間

電子設計 ? 來源:eeweb ? 作者:保羅·克拉克 ? 2021-06-14 17:08 ? 次閱讀

正在瀏覽一些舊筆記,偶然發現了我了解死時間的那一天。不,這不是我們都試圖忽視的致命時刻;在此期間,在半橋或全橋中打開和關閉 FET 至關重要。那么它是什么,為什么 FET 的開關如此重要?當數字電路遇到模擬電路時,獲得您想要的結果總會帶來一些樂趣,半橋和全橋也不例外。盡管我將研究這些特定的電路,但可以公平地說,相同的想法也可用于開關任何設備,例如打開和關閉 FET,具有準確的時序和控制。

下面我列出了橋梁一側的基礎知識,但刪除了一些組件,以便我們可以單獨查看主要功能。

pYYBAGC94KuAQjZNAAB5-SYjaLE294.png

驅動IC電路

該電路的工作原理是在操作階段從 HI 和 LO 輸出生成方波。這在理論上意味著一次只有一個設備處于開啟狀態,并且“A”點將在 0 伏和 + V 之間變化。您會看到有兩個電阻連接到 FET 的柵極。這些由數據表根據需要指定。它們限制在驅動器 IC 和 FET 柵極之間流動的電流。這些器件中的柵極包含一個小電容器,它只是 FET 功能的一部分。因此,當柵極電壓 (Vgs) 在 0 到 15 伏之間擺動時,該電容器需要充電。然后它需要在柵極恢復到 0 伏時放電。驅動器 IC 可以切換相當高的瞬時電流,但電阻器可以限制這一點。我還添加了齊納二極管,這是一種很好的做法,因為這可以防止柵極電壓超過開關電平(在這種情況下為 15 伏)或產生低于 -0.5 的負電壓。最后,我添加了一個電感器 (I),它不是真正適合的設備,而是代表底部 FET 和驅動器 IC 的 0 伏參考之間的 PCB 電感(在本例中,驅動器側單獨連接到底部FET,但并不總是在這種類型的 IC 中可用)。

因此,如果在“A”處沒有任何連接,我們應該看到的只是電壓的過渡,而沒有電流從頂部流向底部。但是,我們有兩個 RC 電路,由 FET 中的電容器和影響 FET 柵極的串聯電阻器組成。我們看到的是一個設備慢慢打開,而另一個設備慢慢關閉。在中間點,FET 都部分導通,電流將流動。在我當時測試的電路中,橋上有 400Vdc,通過 FET 獲得 30 安培的電流持續大約 1nS——不好。這會導致更多的問題,而不僅僅是大電流浪涌和 EMC。PCB 中的大電流和我的隱形電感導致底部 FET 的源極出現電壓。這提升了 COM 連接,并且在該設備中具有開始再次關閉 FET 的效果(Vgs 降低)。

pYYBAGC94LiAIsY-AAA3tpwvxjM305.png

新型 FET 柵極電路

解決此問題的舊方法是在設備都關閉時產生一些死區時間,以防止大電流浪涌。這是通過改變為 FET 供電的電路來完成的。首先,我們希望在接通 FET 時通過增加電阻來減慢 FET 的充電速度 - 在這種情況下,從 4R7 到 22R。然后為了獲得真正快速的關斷時間,我使用了一個旁路二極管,允許驅動器 IC 快速將 FET 的柵極接地。在某些情況下,如果柵極電流很大,您可能仍然需要一個小電阻,例如 1R 與該二極管串聯,但通常僅二極管就可以完成這項工作。在我的電路中,這將分頻器的電流降低到 1 安培以下,當時是可以接受的。

poYBAGC94LqAWdIXAAAxWJ__JNo892.png

死的時間

正如我所說,這段時間稱為“死區時間”,可以減少這種電路中發生的短路效應。然而,時代已經發展,死區時間控制現在已內置到驅動器 IC 甚至微控制器中。在上面的電路中,如果 HI 和 LO 信號在轉換之間有一個短暫的停頓,則不難看出,允許控制門的時序和 FET 的開關。死區時間不是對稱的,這可以在現代死區時間控制設備中看到。上面的電路在從高到低和從低到高時會有不同的電流浪涌。因此,新設備使用可以單獨配置的前置和后置定時器。您可以在下面看到來自 Microchip 控制器的典型時序安排。

poYBAGC94MeAKauvAADr37ZYcGA134.png

前后計時

在這里很容易看到為死區時間控制電路供電的原始信號(PWM 發生器)。將時間設置為零,高端和低端一起切換。然后調整這些前后時間允許不對稱的死區時間。

這允許更有效的控制,并允許您減少電路設計中的損耗。您還可以減少可能影響 EMC 結果的噪音。死區時間和控制 FET 柵極開關可以進行重大改進,現代設備允許越來越好的控制。

編輯:hfy

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