科普 MOSFET在大功率开关电源中的应用简析

由于本身具备多种优势，大功率开关电源往往会选用功率MOSFET进行系统整流设计。然而，在电路系统的设计过程中，我们仍然需要注意到这种功率器件与双极型晶体管的区别。MOSFET的栅极电容是比较大，在导通之前要先对该电容充电，当电容电压超过阈值电压时MOSFET才开始导通。因此，栅极驱动器的负载能力必须足够大，以保证在系统要求的时间内完成对等效栅极电容的充电。

还有一个问题是在进行栅极驱动电流的计算时容易出现的错误，那就是将MOSFET的输入电容和CEI混为一谈。不少人会直接使用该公式去计算峰值栅极电流，即：I=C（dv/dt）。实际上，CEI的值比CISS高很多，必须要根据MOSFET生产商提供的栅极电荷（QG）指标计算。栅极电荷QG是MOSFET栅极电容的一部分，其正确的计算公式为：QG=QGS+QGD+QOD。其中QG为总的栅极电荷，QGS为栅极-源极电荷，QGD为栅极-漏极电荷，QOD为Miller电容。充满后的过充电荷典型的MOSFET曲线如图1所示。

图1

从图1中所提供的功率器件MOSFET过充电荷曲线中可以看到，在大功率电源的实际应用中，我们为了保证MOSFET导通，用来对CGS充电的VGS要比额定值高一些，而且CGS也要比VTH高。栅极电荷除以VGS等于CEI，栅极电荷除以导通时间等于所需的驱动电流。用公式表示为：QG=（CEI）（VGS），IG=QG/t导通。其中QG总栅极电荷。CEI等效栅极电容，VGS删-源极间电压。IG使MOSFET在规定时间内导通所需栅极驱动电流。

大功率开关电源技术不断发展，SMPS控制器的电源电路系统中的应用也日渐频繁。这些新型控制器全部采用精细的CMOS工艺，供电电压低于12V，集成的MOSFET驱动器同时可作为电平变换器使用，用来将TTL电平转换为MOSFET驱动电平。在SMPS控制器中，抗锁死能力是一项非常重要的指标，因为MOSFET一般都连接着感性电路，会产生比较强的反向冲击电流。在应用SMPS控制器进行大功率开关电源的系统设计时，有一个需要注意的问题是，对瞬间短路电流的承受能力需要进行精准判断，对于高频SMPS尤其如此。此时，我们可以使用专用的MOSFET驱动器从两个方面改善这个问题，即保障MOSFET栅极驱动电平的上升时间和下降时间相等，并且尽可能缩短；驱动脉冲的传播延时必须控制在极短范围内，并且需要与开关频率匹配。

功率器件MOSFET在大功率电源设计中的典型应用之一，就是在便携式计算机大功率电源中的使用。下图图2为一个高效率同步升压变换器的电路，其输入电压范围是5V至30V，可以与AC/DC整流器（14V/30V）相连，也可以用电池供电（7.2V至10.8V）。

图2

从图2所提供的电路图中可以看到，该大功率开关电源中的功率器件TC1411N，是一种低压侧驱动器，TC1411N的输出峰值电流为1A，由于使用+5V供电，可以降低因栅极过充电引起的截止延时。TC4431是高压侧驱动器，输出峰值电流可达1.5A。用这两种器件驱动的MOSFET可以承受持续30ns、大小为10A的漏极电流。