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开关变换器学习

栅极驱动

目标

Section titled “目标”
  • 从开关管的栅极电荷曲线（gate-charge curve）上读出米勒平台（Miller plateau）及其电荷。
  • 由驱动器电压和栅极回路电阻估算栅极电流以及漏极电压完成跳变所需的时间。
  • 为高侧驱动器确定自举电容（bootstrap capacitor）的容量。

理论

Section titled “理论”

米勒平台

Section titled “米勒平台”

MOSFET 的栅极经其栅极回路充电：栅极回路由驱动器输出、外接电阻和器件内部栅极电阻组成，三者合计为 RGR_G。开通时有一段时间栅极电压不上升：漏极电压下降期间，栅源电压停留在米勒平台上保持不变，驱动器所能提供的全部栅极电流都转去为栅漏电容放电 [Balogh 2018]。在此期间栅极得到的电荷，就是数据手册栅极电荷曲线上的栅漏电荷（gate-drain charge）QGDQ_\mathrm{GD} [Vishay Siliconix, Power MOSFET Basics]。栅极本身处于平台电压 VplV_\mathrm{pl}，因此推动栅极电流的是驱动器的开通电压 VGSV_\mathrm{GS}（即驱动电压，与栅极驱动损耗中的相同）与平台电压之差：

IG=VGS−VplRGI_G = \frac{V_\mathrm{GS} - V_\mathrm{pl}}{R_G}
IGI_G
平台期间的栅极电流
RGR_G
栅极回路电阻
VGSV_\mathrm{GS}
栅极驱动电压
VplV_\mathrm{pl}
米勒平台（Miller plateau）电压
开通时米勒平台期间的栅极电流✓ 经 7 项测试验证
假设、约定与出处
假设
  • 漏极电压跳变期间，栅极电压保持在平台电压；驱动器经栅极回路电阻在 V_GS 与 0 之间切换
备注
栅极维持在平台电压时，驱动器电压超出平台电压的部分推动电流流过栅极回路电阻；平台电压接近驱动电压时，电流很小，开通缓慢
出处
Balogh 2018, MOSFET turn-on (the Miller plateau); Alexander & Sadiku 2017, Ch. 2 (Basic Laws: Ohm's law); derived here
推导
sympy 逐步推导
公式 id
gate.I_on · equations.yaml 条目

关断时，驱动器把栅极拉到零。此时漏极电压在平台期间上升，栅极电流就是为栅漏电容充电的电流 [Balogh 2018, MOSFET turn-off]；推动它的是平台电压本身：

IG=VplRGI_G = \frac{V_\mathrm{pl}}{R_G}
IGI_G
平台期间的栅极电流
RGR_G
栅极回路电阻
VplV_\mathrm{pl}
米勒平台（Miller plateau）电压
关断时米勒平台期间的栅极电流✓ 经 7 项测试验证
假设、约定与出处
假设
  • 漏极电压跳变期间，栅极电压保持在平台电压；驱动器经栅极回路电阻在 V_GS 与 0 之间切换
备注
驱动器把栅极拉到零，因此由平台电压本身驱动电流流出；若两个边沿的栅极回路电阻相同，且平台电压低于驱动电压的一半，则关断电流小于开通电流，关断耗时更长（灌电流能力强于拉电流能力的驱动器，或跨接在栅极电阻上的关断二极管，会改变这一情况）
出处
Balogh 2018, MOSFET turn-off (the Miller plateau); Alexander & Sadiku 2017, Ch. 2 (Basic Laws: Ohm's law); derived here
推导
sympy 逐步推导
公式 id
gate.I_off · equations.yaml 条目

平台持续的时间，就是栅极电流输送 QGDQ_\mathrm{GD} 所需的时间，漏极电压在此期间完成跳变：

tpl=QGDIGt_\mathrm{pl} = \frac{Q_\mathrm{GD}}{I_G}
tplt_\mathrm{pl}
处于平台的时间
IGI_G
平台期间的栅极电流
QGDQ_\mathrm{GD}
栅漏（米勒）电荷
米勒平台持续时间✓ 经 7 项测试验证
假设、约定与出处
假设
  • 漏极电压跳变期间，栅极电压保持在平台电压；驱动器经栅极回路电阻在 V_GS 与 0 之间切换
备注
栅极以恒定电流输送栅漏电荷期间，平台一直持续，漏极电压在此期间完成跳变；栅极电流越大，平台时间按比例缩短
出处
Vishay Siliconix, Power MOSFET Basics, Q_GD, the charge taken on the Miller plateau; Alexander & Sadiku 2017, Ch. 1 (Basic Concepts: charge and current); derived here
推导
sympy 逐步推导
公式 id
gate.t_pl · equations.yaml 条目

若两个边沿的栅极回路电阻相同，平台电压低于驱动电压的一半时，关断电流小于开通电流，因此开关管关断比开通慢；关断时电阻更小（驱动器的灌电流能力强于拉电流能力）时，同一公式给出的关断电流更大。驱动器每个周期都输送全部栅极电荷，栅极驱动功率由栅极回路中的各电阻分担耗散（栅极驱动损耗）。

自举电容

Section titled “自举电容”

高侧开关管的栅极由浮在开关节点上的电源驱动。自举电容在开关节点处于低电平时充电，它就是这个电源 [Texas Instruments 2023]：高侧导通期间，栅极电荷和驱动器消耗的电荷全部由它单独提供，其电压跌落量为该电荷除以其电容。按允许的跌落计算：

Cboot=QbootΔVbootC_\mathrm{boot} = \frac{Q_\mathrm{boot}}{\Delta V_\mathrm{boot}}
CbootC_\mathrm{boot}
自举电容
ΔVboot\Delta V_\mathrm{boot}
允许的自举电压跌落
QbootQ_\mathrm{boot}
从自举电容取用的电荷
满足允许电压跌落的自举电容✓ 经 7 项测试验证
假设、约定与出处
假设
  • 高侧开关管导通期间仅由自举电容提供电荷；只在低侧导通时才重新充电
备注
电容电压的下降量等于其提供的电荷除以电容；允许跌落减半，所需电容加倍
出处
Alexander & Sadiku 2017, Ch. 6 (Capacitors and Inductors); derived here
推导
sympy 逐步推导
公式 id
boot.C · equations.yaml 条目

电容小于最小值时，驱动器的欠压锁定（undervoltage lockout）可能动作并关断高侧开关管 [Texas Instruments 2023]。

GaN 开关管

Section titled “GaN 开关管”

eGaN FET（EPC 的增强型 GaN 开关管）的最大栅源电压低于硅 MOSFET [Efficient Power Conversion (EPC), eGaN FET Drivers and Layout Considerations]。栅极回路也是一个回路：其电感在栅极电流的每个边沿都会产生电压（回路电压），并与栅极电容发生振铃，因此栅极电压可能过冲到驱动电压以上，逼近这一较低的极限。

例题

Section titled “例题”

一个驱动器、一条栅极回路和一个开关管的栅极电荷曲线：

栅极驱动示例
符号数值求法
VGSV_\mathrm{GS} 栅极驱动电压10 V已知
VplV_\mathrm{pl} 米勒平台（Miller plateau）电压4.5 V已知
RGR_G 栅极回路电阻5 Ω已知
QGDQ_\mathrm{GD} 栅漏（米勒）电荷10 nC已知
IGon{I_G}_{\mathrm{on}} 平台期间的栅极电流1.1 A开通时米勒平台期间的栅极电流
tplon{t_\mathrm{pl}}_{\mathrm{on}} 处于平台的时间9.09 ns米勒平台持续时间
IGoff{I_G}_{\mathrm{off}} 平台期间的栅极电流900 mA关断时米勒平台期间的栅极电流
tploff{t_\mathrm{pl}}_{\mathrm{off}} 处于平台的时间11.1 ns米勒平台持续时间

开通时，栅极在平台期间吸取 1.1 A，漏极电压在 9.09 ns 内完成跳变。关断时，平台电压只能推动 900 mA，跳变需要 11.1 ns。

该开关管驱动器的自举电容：

自举电容示例
符号数值求法
QbootQ_\mathrm{boot} 从自举电容取用的电荷50 nC已知
ΔVboot\Delta V_\mathrm{boot} 允许的自举电压跌落500 mV已知
CbootC_\mathrm{boot} 自举电容100 nF满足允许电压跌落的自举电容

动手试试

Section titled “动手试试”

▶ 在公式浏览器中打开：米勒平台持续时间
预设取自例题 bench-gate

扫描栅极电流：跳变时间与之成反比地减小。减小栅极电阻可增大电流；只要栅极电压仍在其额定值之内，提高驱动器电压也能增大电流。

实验练习

Section titled “实验练习”

在低侧开关管的栅极和漏极上各接一个电压探头，二者都以位于电路地的源极为参考，找出开通过程中的平台：漏极电压下降期间，栅极电压停止上升。源极不在地电位的开关管需要使用差分探头：探头的接地线与示波器的保护接地相连。测量平台的电压和持续时间。探头测到的是内部栅极电阻之外的栅极引脚，因此它显示的平台在开通时高于管芯（die）上的平台，在关断时低于后者，差值为栅极电流与该电阻之积。将平台的持续时间与栅漏电荷除以公式所给栅极电流之商比较；数据手册给出的该电荷对应其自身的测试漏极电压，电压摆幅更大时所需电荷更多。在关断时重复测量，并换用更大的栅极电阻再测。

易错点

Section titled “易错点”

延伸阅读

Section titled “延伸阅读”

测验

Section titled “测验”

  1. 开通时，在漏极电压下降期间，栅源电压如何变化？

    1. 以最快的速度上升
    2. 降到零
    3. 振荡
    4. 保持不变：即米勒平台
    答案与解析

    正确答案：D 漏极电压下降时，驱动器所能提供的全部栅极电流都用于为栅漏电容放电，因此栅极电压停留在平台上。

  2. 12 V 驱动器经总计 4 ohm 的电阻驱动栅极；平台电压为 4 V。开通时平台期间的栅极电流是多少？

    1. 3 A
    2. 2 A
    3. 1 A
    4. 4 A
    答案与解析

    正确答案：B 驱动器电压减去平台电压，即 8 V，加在 4 ohm 的栅极回路上。

  3. 栅漏电荷为 20 nC，平台期间的栅极电流为 2 A。漏极电压完成跳变需要多长时间？

    1. 40 ns
    2. 1 ns
    3. 10 ns
    4. 100 ns
    答案与解析

    正确答案：C 平台持续时间为栅漏电荷除以栅极电流：20 nC 除以 2 A。

  4. 栅极回路在两个边沿的电阻相同；平台电压为 3 V，驱动电压为 10 V。哪一次跳变更慢？

    1. 开通
    2. 两者用时相同
    3. 只取决于栅漏电荷
    4. 关断，因为平台电压推动的电流小于开通时剩余的 7 V 所推动的电流
    答案与解析

    正确答案：D 开通时由 7 V 推动栅极电流；关断时只有 3 V 的平台电压经同一电阻推动栅极电流。

  5. 高侧导通期间，自举电容提供 40 nC 电荷，允许跌落 0.4 V。它至少需要多大的电容？

    1. 100 nF
    2. 16 nF
    3. 10 nF
    4. 1 uF
    答案与解析

    正确答案：A 电荷除以允许的跌落：40 nC 除以 0.4 V。

  6. 自举电容过小时可能发生什么？

    1. 其电压跌落可能使驱动器的欠压锁定（UVLO）关断高侧开关管
    2. 低侧开关管无法开通
    3. 开关频率加倍
    4. 什么也不会发生：驱动器会自行稳定其电源
    答案与解析

    正确答案：A 高侧导通期间只有该电容为其供电；电容太小，电压就会跌落到驱动器的锁定阈值以下。

本站例题、预设和练习中的数值均为合成值：为教学而凑整的数值，并非来自任何实际设计的数据。