如何提高mosfet开关速度,降低开关损耗?

电器工程 场效应管 脉宽调制 MOSFET驱动器 交换 开关损耗
2022-01-27 07:24:47

我希望这不是一个太宽泛的问题,但是在由 PWM 信号驱动的 MOSFET 上实现快速开关的最佳实践是什么?

我目前的知识告诉我,我可以做两件事:

1 - 使用尽可能低的 PWM 频率,因为开关损耗在较高频率下较高。

2 - 以尽可能大的电流驱动栅极,以尽快克服栅极电容。为此,我避免在 MCU 和栅极之间添加一个电阻,或者在 MCU 和 mosfet 之间添加一个通用晶体管,这样我就可以用更高的电流驱动栅极。

目前,我的 PWM 必须使用 N 通道 IRLZ44 mosfet 以至少 100kHz 的频率运行,所以第一点不适用,第二点不足以给我可接受的开关损耗。我的 MOSFET 过热,我想找到比使用更大的散热器更好的解决方案。

我应该寻找更好的MOSFET吗?或者,我应该尝试以某种方式添加一个电容器以在 PWM 信号上升时启动,从而提高通过栅极的电流吗?还是有其他方法可以实现更快的切换?

更新:

我认为这个问题不需要示例电路图,但这里是:

在此处输入图像描述

我是根据我在这里提出的其他问题进入这个电路的。我正在使用5V,负载约为1A。如您所见,我正在驾驶变压器。在这种配置中,我在变压器初级上有 10 Vpp,次级将其提升到 1500 Vpp。

根据目前的评论和回答,我已经很清楚,使用驱动器是实现更低旋转损失的最简单、最便宜和最简单的方法。但是,如果有一种方法可以在没有驱动程序的情况下改进电路,我会有兴趣了解它。

4个回答

要么选择更好的 MOSFET,要么使用这样的推挽驱动器:-

在此处输入图像描述

请注意,该芯片在输出级使用相同的 MOSFET。这是另一个使用 Fairchild 的 FAN7842 的产品:-

在此处输入图像描述

您还应该确保在一个关闭和另一个打开之间有足够的死区时间。

如果需要,这两款器件均可用于驱动单个 MOSFET 输出。这是驱动高端 MOSFET 的一个:-

在此处输入图像描述

避免使用 P 通道设备将使您的效率提高几个百分点(一般警报)。是一组有用的图像,可以提供其他想法。

  1. 提供合适的栅极驱动电路,该电路可以吸收/提供足够高的电流并具有良好的压摆率(其他人发布了有关专用栅极驱动的信息)

  2. 正确选择栅极电阻和栅极电荷曲线(或总栅极电容)。太高,您将切换更慢和更多的切换损耗。太低,有可能导致电源 cct 振铃(增加您的损失)和更糟糕的情况......设置 pierce osc

  3. 如果您正在切换感性负载,请将续流二极管的阴极和 FET 之间的杂散电感保持在非常、非常低的水平(不是尽可能低的方便 - 如果需要,请重新布局)

  4. 同样,如果您正在切换感性负载,请不要忽视二极管的反向恢复。选择合适的二极管

  5. 尽量减少栅源引线电感(双绞线,短),再次为方便起见不要短,尽可能短。

  6. 如果您是电源开关,请尽量减少大容量 DClink 电容器的杂散电感。同样不是为了方便而缩短,而是尽可能短。

  7. 考虑某种形式的层板母线 wrt 5

正如 Andy aka 所建议的那样,有大量可用的集成 MOSFET 驱动器,而且它们只需最少的部件就能很好地工作。

但是,如果您想要一个带有分立部件的一次性设计,这是一个起点:(开关代表您的微控制器,或者任何驱动这种安排的东西)

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

Q1 和 Q2 是一对推挽射极跟随器。它们的输出(在 M1 的栅极)保持在与输入大致相同的电压(以基极-发射极电压为模),但 BJT 的电流增益乘以来自输入的可用电流。

因此,您需要连接到输入的东西,它可以达到您想要使用的栅极电压。如果您使用的是微控制器,它的输出电压可能是 3.3V 或 5V。您可以找到设计为在这些栅极电压下工作的 MOSFET,但大多数功率 MOSFET 在更像 12V 的情况下工作得最好,因此您需要添加额外的电路来执行电压转换。请参阅以 3.3V 驱动 mosfet 桥的低端,该桥还包括更复杂的分立 MOSFET 栅极驱动器。

良好的栅极驱动是朝着正确方向迈出的一步,并且已在其他答案中说明。现在是时候看看T1了。CT初级的每条腿之间都会有一些漏感。当你关闭Q5或Q6时,电流会被破坏。储存在漏感中的能量会在你的电路中变成可怕的高压尖峰.您必须处理此问题以阻止 Mosfet 故障。当您插入电路上正在浪费的这种感应能量的大致数字并乘以频率以估计功率损耗时,您会发现这些损耗很糟糕。因此请尝试恢复浪费的功率来限制电压尖峰并保持 MOSFET 冷却。恢复这种能量的一种直接方法是构建无源缓冲器,将功率燃烧到电阻器中,这样 FET 就不会再烧毁了。然后优化波形。