隔离式MOSFET驱动器集成电路的功率效率在轻负载时得到改善

2009年07月31日 21:07    贾延安
关键词: MOSFET , 负载 , 功率效率 , 集成电路 , 驱动器
许多现代功率MOSFET在 5V时达到导通电阻的低值,甚至在栅极到源极电压为5V的情况下也可达到。然而,对于大功率MOSFET,特别是绝缘栅极双极晶体管(IGBT),工程师更希望栅极到源极电压为12V至15V,因为这些电源开关的导通电阻在高栅极到源极电压情况下会进一步降低。例如,国际整流器公司(International Rectifier)的17A额定IRFR024功率MOSFET有一个0.075Ω的导通电阻(参考文献1)。当栅极到源极电压为12V时,该器件的导通电阻与栅极到源极电压为5V时相比,下降到其值的41%。当开关电流为10A时,该器件的功耗比栅极到源极电压为12V时少6W。

   IC1是美国模拟器件公司(Analog Devices)推出的一款ADuM5230集成电路隔离式驱动器。它可以将5V的输入电压提高到足以驱动MOSFET导通电阻到一个低值的水平,最大限度地减少功耗(图1)。 但是,在低开关频率的情况下,IC的高端内部18V箝位消耗该集成电路从低端5V电源获得的能量(参考文献2)。




  但是,ADuM5230的输出电压未经调节。 幸好,该集成电路的一个调节引脚可以用来控制设备内部脉宽调制器(PWM)的占空比,将占空比的值从1降至约0.1。当调节引脚为打开时,默认占空比的值为0.55。当调节引脚连接到5V电源时会出现占空比的最低值。

   IC2是安华高科技公司推出的一种ASSR-1219高级光MOSFET器件,用于控制调节引脚的电压。该光MOSFET的输出端之间有一个0V饱和电压。由于经典光耦合器具备一个双极光电晶体管,在这种情况下用它作IC2不太合适。双极光电晶体管有0.4V的饱和电压,并且,一个普通光耦合器的电流传输比(CTR)在接近饱和输出时将显著降低。 当IC1的高端输出电压的负载很轻或者可以忽略时,考虑将调节引脚的电压转为外部电压电平。

  有些时候,IC1的高端输出电压VISO会超过VZ(IF)+VFLED~13.5V的约值,其中VZ(IF)是D2的正向电流IF的稳压二极管D1的电压,VFLED是IC2的发光二极管D2中的最低正向电压。IC1超过了这个值,电流开始从D2流过,D2输出的MOSFET开始导电。 IC2的制造商为开/关操作而设计此器件,建议使用的正向电流至少为0.5mA(参考文献3)。

  当IC2输出的MOSFET处在信号级别负载情况下,几十微安通过发光二极管的正向电流导致光MOSFET的导通电阻值从几乎无穷大变为几千欧姆。调节引脚的电压电平上升,而IC1的两个 PWM的占空因数下降。这一行为建立了一个隔离式负电压反馈。因此,IC2中MOSFET和发光二极管的温度对电路的性能影响极小。在轻负载情况下,5V电源的电流负载远远低于使用打开调节引脚的IC1的电流负载。

  测试时,卸载IC1的默认电源电流为约94.6 mA。在电路中有反馈的情况下,该值会降到31.7 mA。在重载情况下,IC1高端的输出电流上升到约20mA,并且占空因数自动上升到一个高于默认电源电流的适当值。因此,输出电压在大约3.7mA到 22.6 mA的范围内为13.5V。电路的功率效率为20%或更高。在输出电流为4.5mA的情况下,功率效率为20.5%,而IC1的功率效率约为15%。在电流为3.7mA的情况下,电路的效率可达20%。该值大大高于IC1在调节引脚开放时的13%。
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