CN109239566B - 一种模拟功率型开关管寄生电容预调驱动信号的方法 - Google Patents

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Abstract

在驱动级开关管在对功率型开关管驱动的调试过程中，由于功率型开关管电容参数的影响，经常使功率型开关管MOSFET管栅极驱动电路电压输出额定电压值与实际栅极驱动电压出现差异。影响功率型MOSFET管工作效果的同时，还要进行后期电路的反复调整，在半桥及全桥的电路应用中，由于栅极驱动电压信号的配合由于栅源极寄生电容存在及寄生电容容值偏移的影响，引起栅极驱动电压信号出现畸变，甚至出现驱动级MOSFET管损坏情况。本发明提供了一种调试方法，通过使用电容模拟功率型开关管寄生电容来进行驱动级MOSFET驱动信号的预调，通过这个方法缩短研发调试周期，并降低调试过程中由于失误造成的损失。

Description

一种模拟功率型开关管寄生电容预调驱动信号的方法
技术领域
本发明属于电子电路设计领域，具体涉及一种模拟功率型开关管寄生电容预调驱动级开关管驱动信号的方法。
背景技术
功率开关管，以其开关速度快、驱动功率小、过载能力强等优点，在开关电源等领域中广泛应用，使用电源的进一步小型化成为现实。现代MOSFET管技术也已朝着更精密更优良的方向发展。开关管的寄生参数对开关管的性能起着重要的影响,图1为MOSFET管结构示意图。其中MOSFET管的漏极与源极之间的寄生电容的存在会对输出信号的电压、电流、频率等存在影响。由此可见，开关管管的寄生参数的变化更会对开关管的性能起到至关重要的作用，并且对驱动级电路输出信号影响较大。功率开关管在电压应力的情况下，栅极相对于其他极，能承受的电压相对较低，在更容易被击穿。由此可见栅极端对开关管的影响至关重要。尤其是与栅极相关的两个寄生参数栅源电容Cgs和漏源电容Cgd对开关管的开关瞬态响应影响。
通过研究表明Cgs和Cgd会对MOSFET管的瞬态响应产生影响，这是由于电容值的改变，影响系统零极点，从而造成MOSFET管输出信号瞬态响应的变动。相对于Cgd，Cgs的参数对MOSFET瞬态响应影响更大，趋势更明显。MOSFET输出信号的瞬态响应，随着Cgs的减小呈现出线性变化的趋势。这是由于Cgs的电容值增大使得零极点变小。栅极端寄生电容的损坏，对整个电路的影响是不容忽视的。寄生电容参数经常使得MOSFET管调试中，栅极驱动电路电压输出额定电压值与实际栅极驱动电压出现差异。影响MOSFET管工作效果的同时，还要进行后期电路的反复调整，在半桥及全桥的电路应用中，由于栅极驱动电压信号的配合由于栅源极寄生电容存在及寄生电容容值偏移的影响，引起栅极驱动电压信号出现畸变，会造成MOSFET管非线性导通，进而发热，甚至出现MOSFET管损坏情况。因此需要一种安全快捷的功率开关管预调试方法来进行前期调试。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种模拟功率型开关管寄生电容预调栅极驱动信号的方法,用以解决功率开关管，由于自身固有寄生电容容值以及在工作中寄生电容容值偏移，引起栅极驱动信号不能达到额定输出要求的问题。
本发明具体采用以下技术方案。
一种模拟功率型开关管寄生电容预调栅极驱动信号的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
第一步、根据不同型号功率型开关管的数据手册查询相应型号功率型开关管的输入寄生电容Ciss、反向传输电容Crss，然后计算得到该型号功率型开关管的栅极电容参数；利用电桥对待预调的功率型开关管实测栅源电容值Cgs，根据实测栅源电容值及该型号功率型开关管的栅极电容参数得出待预调功率型开关管栅源电容Cgs的电容偏移范围，即：取值应在手册参数与实测参数之间取值；
第二步、根据第一步得到的待预调功率型开关管的栅源电容Cgs的电容偏移范围，选择模拟电容Cgs *；
第三步、将第二步选定的模拟电容接入待预调功率开关管栅极驱动电路中进行模拟驱动试验，进行栅极驱动电路参数预调；
第四步、将第三步已经预调过的功率型开关管接入标准功率型开关管栅极驱动电路中，比对功率型开关管栅极驱动信号与第三步预调时栅极驱动信号，如差异超过3％应返回第三步继续调整，直到差异不超过3％后进行带载测试。
本发明进一步包括以下优选方案：
在第二步中，通过第一步中得到的功率开关管的栅源电容Cgs容值及电容偏移范围，选择模拟电容Cgs *，在电容规格不能满足模拟电容Cgs *参数时，可选用多颗电容进行组合配置形成电容组。
在第三步中，准备参数、结构完全相同的两组功率型开关管驱动电路，一组将模拟电容Cgs *一端接入待预调的功率型开关管驱动电路输出端另一端接待预调功率型开关管驱动电路电源系统地，构成模拟功率型开关管电路；第二组功率型驱动电路接功率开关管作为对比样例，使用多通道示波器1号测量通道监视电源系统地与模拟功率开关管电路输出端，多通道示波器2号测量通道监视监视电源系统地与对比样例中的驱动电路输出端。
在第四步中，通过测试电容上的驱动信号的波形与对比样例中的驱动电路输出的驱动信号波形进行对比，如果测试电容上的驱动信号的波形与样例中的驱动电路输出的驱动信号波形超出3％，应返回到第三部重新更换测试用电容数值进行测试，直到测试电容上的驱动信号波形与样例中的驱动电路输出的驱动信号波形相似即差异不超过3％。
本发明具有以下有益的技术效果：
本发明通过对MOSFET管栅极电路预调可以降低调试中带来损坏MOSFET管风险。
通过本发明MOSFET管栅极电路预调可以降低整体电路调试的时间,提高了设计效率。
本发明通过较易获得电容元器件替代MOSFET管进行模拟调试，节约了研发成本。
本发明实现可以使用低压元件替代高压元件调试前级驱动电路。
附图说明
图1为现有技术中开关管结构示意图；
图2为本发明模拟开关管寄生电容预调栅极驱动信号的方法的流程示意图；
图3为本发明某实施例开关管寄生电容参数图；
图4为MOSFET管驱动电路原理框图；
图5为本发明方法的实验结果图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
本发明公开了一种基于模拟功率开关管寄生电容来进行预调栅极驱动信号的方法。通过本方法对高压电焊机内部功率开关管栅极驱动信号电路进行调整。选用IXYS公司生产型号为IXFN38N100Q2增强型N沟道MOSFET，其主要寄生电容参数见图3。
如图4采用IXYS公司生产IXD609SI开关管驱动芯片的主拓扑电路，输出端连接由P沟道IRF9540及N沟道P60NF06的开关管栅极，IRF9540漏极连接15V，源极接大功率MOSFE管栅极。P60NF06漏极连接多个大功率MOSFET管IXFN38N100Q2栅极，源极连接15V的地。驱动信号经由电路放大，使得驱动信号电压满足大功率MOSFET管IXFN38N100Q2驱动需要。
如图2所示为本发明模拟MOSFET管寄生电容预调栅极驱动信号的方法的流程示意图，本发明模拟MOSFET管寄生电容预调栅极驱动信号的方法包括以下步骤：
第一步、根据功率型开关管数据手册《HiperFET-Power MOSFET-2003》得到功率型开关管IXFN38N100Q2的输入寄生电容Ciss、反向传输电容Crss，其中然后根据公式(1)、(2)计算得到栅极电容Cgs参数。利用电桥对功率型开关管IXFN38N100Q2实测电容Cgs。根据测量结果及手册提供数值计算出栅极电容Cgs参数。
MOSFET寄生电容存在下列关系式：
输入电容：Ciss＝Cgs+Cgd (1)
反向传输电容：Crss＝Cgd (2)
通过手册可得到输入电容Ciss＝7200pF，反向传输电容Crss＝170pF；
根据公式(1)、(2)可得到Cgs＝Ciss-Cgd＝7200pF-170pF＝7030pF。
实际通过电桥测得功率开关管IXFN38N100Q2栅极及源极之间寄生电容为13nF。
第二步、根据得到的开关管的Cgs容值，选择Cgs模拟电容。
根据实测Cgs及手册给出的Cgs值选择模拟Cgs值在13nF；
通过第一步中得到的功率开关管的栅源电容Cgs容值及电容偏移范围，选择测试用电容，在电容规格不能满足测试参数时，可选用多颗电容进行组合配置形成电容组。
第三步、将模拟电容接入MOSFET栅极驱动电路中进行模拟驱动试验，进行栅极驱动电路参数预调，达到额定信号要求。
将测试用电容或电容组一端接入功率开关管驱动电路输出端另一端接功率开关管驱动电路电源系统地，构成模拟功率开关管电路。同时相同的另一组驱动电路接功率开关管用在作为对比样例。使用多通道示波器1号测量通道监视电源系统地与模拟功率开关管电路输出端，多通道示波器2号测量通道监视监视电源系统地与对比样例中的驱动电路输出端。进行实际驱动信号对比。
第四步、将MOSFET管接入调整好的MOSFET管栅极驱动电路中，比对当前MOSFET管栅极驱动信号与第三步预调时栅极驱动信号，如有差异返回第三步继续调整。
通过测试电容上的驱动信号的波形与对比样例中的驱动电路输出的驱动信号波形进行对比。如果测试电容上的驱动信号的波形与样例中的驱动电路输出的驱动信号波形出入较大，应返回到第三部重新更换测试用电容数值进行测试，指导测试电容上的驱动信号波形与样例中的驱动电路输出的驱动信号波形相似。
如图5为选择10nf+3.3nf,10nf+10nf作为两组模拟电容与大功率MOSFET管IXFN38N100Q2在相同驱动信号下在的对比波形。10nf+3.3nf模拟寄生电容组的测试波形接近大功率MOSFET管IXFN38N100Q2的实际波形，未超出3％的阈值要求，因此10nf+3.3nf模拟寄生电容组可用作替代功率型开关管进行功率型开关管驱动电路预调驱动信号使用。
申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种模拟功率型开关管寄生电容预调栅极驱动信号的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
第一步、根据不同型号功率型开关管的数据手册查询相应型号功率型开关管的输入寄生电容Ciss、反向传输电容Crss，然后计算得到该型号功率型开关管的栅极电容参数；利用电桥对待预调的功率型开关管实测栅源电容值Cgs，根据实测栅源电容值及该型号功率型开关管的栅极电容参数得出待预调功率型开关管栅源电容Cgs的电容偏移范围，即：取值应在手册参数与实测参数之间取值；
第二步、根据第一步得到的待预调功率型开关管的栅源电容Cgs的电容偏移范围，选择模拟电容Cgs *；
第三步、将第二步选定的模拟电容接入待预调功率型开关管栅极驱动电路中进行模拟驱动试验，进行栅极驱动电路参数预调以达到额定信号要求；
第四步、将第三步已经预调过栅极驱动电路参数的功率型开关管接入调整好的功率型开关管栅极驱动电路中，比对功率型开关管栅极驱动信号与第三步预调时栅极驱动信号，如上述两驱动信号波形差异超过3％应返回第三步继续调整，直到差异不超过3％后进行带载测试。
2.根据权利要求1所述的模拟功率型开关管寄生电容预调栅极驱动信号的方法，其特征在于：
在第二步中，通过第一步中得到的功率开关管的栅源电容Cgs容值及电容偏移范围，选择模拟电容Cgs *，在电容规格不能满足模拟电容Cgs *参数时，可选用多颗电容进行组合配置形成电容组。
3.根据权利要求1或2所述的模拟功率型开关管寄生电容预调栅极驱动信号的方法，其特征在于：
在第三步中，准备参数、结构完全相同的两组功率型开关管驱动电路，一组将模拟电容Cgs *一端接入待预调的功率型开关管驱动电路输出端，另一端接待预调功率型开关管驱动电路电源系统地，构成模拟功率型开关管电路；第二组功率型开关管驱动电路接同型号功率型开关管作为对比样例，使用多通道示波器1号测量通道监视电源系统地与模拟功率型开关管电路输出端，多通道示波器2号测量通道监视电源系统地与对比样例中的驱动电路输出端。
4.根据权利要求3所述的模拟功率型开关管寄生电容预调栅极驱动信号的方法，其特征在于：
在第四步中，通过测试电容上的驱动信号的波形与对比样例中的驱动电路输出的驱动信号波形进行对比，如果测试电容上的驱动信号的波形与样例中的驱动电路输出的驱动信号波形差异超出3％，应返回到第三步重新更换测试用电容数值进行测试，直到测试电容上的驱动信号波形与样例中的驱动电路输出的驱动信号波形相似即差异不超过3％。
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