Isolated DC/DC Power Converter(二)
隨著電力電子技術的不斷發展，各類分立器件應用已經非常廣泛。金屬-氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET），以其低功耗、高頻率開關速度的特點在現代電路中得到大力發展。但是隨著功率開關場效應晶體管朝著高頻化發展，針對場效應開關管的驅動電路設計要求也愈來愈高。作為一名FAE工程師，長期接觸和服務于各類電子產品，通過掌握的一手資料發現，絕大部分開關管的損壞原因是由于驅動電路故障和隔離失效引起。設計可靠、簡單的驅動電路是MOSFET在電力電子系統中可靠運行的前提。
電路設計是一項綜合性較強的作業，要求要有較為全面的電子電路基礎。首先熟悉元器件，要對各種元器件的特性、作用有了解；其次要熟知經典電子電路的基本拓撲結構并順利對完整的基本拓撲結構進行串讀：最后對每個位置應用元器件的作用及安規參數范圍有所認識。除了上述三點基礎要求，其實還有圖形軟件EDA的使用，要熟知PCB布線的規則要求等等，方能經行設計工作。一款終端產品往往是從簡單的功能藍圖開始，即設計出來的產品要滿足哪些要求，實現什么功能，這是產品的開始。而電子設計工程師往往要把這些功能要求通過專業能力轉換成圖形語言最后輸出SCH（Schematic）原理圖。
SCH（Schematic）原理圖的具體設計過程是需要大量計算。上圖是一個變壓器隔離驅動DC/DC模塊部分。圖中Q1和Q2是兩個高壓功率MOSFET,該電路為了保障MCU輸出的占空比，提高電源末端輸出效率，Q1和Q2采用半橋結構。
MOSFET驅動電路特點
在控制回路中，一般MCU產生PWM弱電流信號，能有效驅動功率開關管非常困難，即便是使用大電流的驅動芯片，模擬信號也存在較大電磁干擾，因此要額外增加驅動電路才能有效開啟場效應管。功率電路和驅動電路電壓、電流完全不同，驅動電路中引入強電會對系統造成不可逆的損壞，并且為了保障驅動電路工作的穩定性，減少電路出現電磁干擾造成的開關誤動作，因此采用變壓器隔離控制方式是設計驅動電路的最優方案。
如上圖所示，T2為變壓器，用來驅動組成半橋結構的Q1和Q2 MOSFET。當MCU U1為OH高電平信號，變壓器T2次極上端感應為上正下負，下端感應為上負下正，此時Q1導通，Q2斷開，輸出為VHDC高電平；當MCU U1為OL低電平信號，變壓器T2次極上端感應為上負下正，下端感應為上正下負，此時Q1斷開，Q2導通，輸出端和GND接通，輸出低電平。這是上圖變壓器隔離驅動控制的工作機理。
驅動電路參數選擇
穩定安全是電子電路最基本的要求，要實現電路穩定安全與進行嚴密的數學邏輯運算是分不開的。根據場效應(Cmos)多年服務客戶經驗，對經典常用電路做了部分參數的總結，這些總結信息可以幫助讀者在遇到類似電路時可以更快更準確的經行相關物料選擇與應用。
電阻選擇
MOSFET柵極控制信號的穩定性對電路可靠性起著決定性的影響。如上圖電路，由于MOSFET的柵極附近有雜散電容（包括自身寄生電容和電路并聯電容），有布線原因產生的寄生電感（計算得到1mm的布線可以產生1nH電感），為了改變PWM前后的坡度和防止沖擊，降低電壓尖峰，在設計電路時，往往選擇串入合適的電阻。具體到上面的電路中，R8和R26的值過大時，導通時間變化會很長，熱損耗加劇；當R8和R26過小，電流瞬間變化(di/dt)會很大,導致管子損壞。結合這些特點，對R8和R26值的選擇應依據允許電流、電壓和工作頻率。通常驅動電阻上圖中的R8和R26阻值選擇在幾歐至幾十歐姆之間，并可以外加反向快速恢復二極管D9和D19加快驅動關斷速度。
另外需要在柵極和源極并聯電阻R15和R30，叫做保護電阻，用以保護作用。避免開關動作的瞬間產生尖峰電壓，驅動電路輸出兩端的高壓會使開關管產生誤動作將其擊穿，這時若驅動電路輸出兩端加入電阻R15和R30，能把短時間產生的電能釋放掉，這樣就對場效應管Q1和Q2起到了保護作用。R15和R30的取值一般在1KΩ至10KΩ，不宜過大，以此來確保電荷能快速釋放掉。
結論
本文結合多年工程項目經驗，對場效應開關管的驅動電路進行研究，總結和歸納了在半橋拓撲結構中驅動控制電路相關參數的選擇，分享給大家，希望對各位半導體從業者有所幫助。
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