淺談半橋或全橋中的開關(guān) FET 和死區(qū)時間

正在瀏覽一些舊筆記，偶然發(fā)現(xiàn)了我了解死時間的那一天。不，這不是我們都試圖忽視的致命時刻；在此期間，在半橋或全橋中打開和關(guān)閉 FET 至關(guān)重要。那么它是什么，為什么 FET 的開關(guān)如此重要？當數(shù)字電路遇到模擬電路時，獲得您想要的結(jié)果總會帶來一些樂趣，半橋和全橋也不例外。盡管我將研究這些特定的電路，但可以公平地說，相同的想法也可用于開關(guān)任何設(shè)備，例如打開和關(guān)閉 FET，具有準確的時序和控制。

下面我列出了橋梁一側(cè)的基礎(chǔ)知識，但刪除了一些組件，以便我們可以單獨查看主要功能。

驅(qū)動IC電路

該電路的工作原理是在操作階段從 HI 和 LO 輸出生成方波。這在理論上意味著一次只有一個設(shè)備處于開啟狀態(tài)，并且“A”點將在 0 伏和 + V 之間變化。您會看到有兩個電阻連接到 FET 的柵極。這些由數(shù)據(jù)表根據(jù)需要指定。它們限制在驅(qū)動器 IC 和 FET 柵極之間流動的電流。這些器件中的柵極包含一個小電容器，它只是 FET 功能的一部分。因此，當柵極電壓 (Vgs) 在 0 到 15 伏之間擺動時，該電容器需要充電。然后它需要在柵極恢復(fù)到 0 伏時放電。驅(qū)動器 IC 可以切換相當高的瞬時電流，但電阻器可以限制這一點。我還添加了齊納二極管，這是一種很好的做法，因為這可以防止柵極電壓超過開關(guān)電平（在這種情況下為 15 伏）或產(chǎn)生低于 -0.5 的負電壓。最后，我添加了一個電感器 (I)，它不是真正適合的設(shè)備，而是代表底部 FET 和驅(qū)動器 IC 的 0 伏參考之間的 PCB 電感（在本例中，驅(qū)動器側(cè)單獨連接到底部FET，但并不總是在這種類型的 IC 中可用）。

因此，如果在“A”處沒有任何連接，我們應(yīng)該看到的只是電壓的過渡，而沒有電流從頂部流向底部。但是，我們有兩個 RC 電路，由 FET 中的電容器和影響 FET 柵極的串聯(lián)電阻器組成。我們看到的是一個設(shè)備慢慢打開，而另一個設(shè)備慢慢關(guān)閉。在中間點，F(xiàn)ET 都部分導(dǎo)通，電流將流動。在我當時測試的電路中，橋上有 400Vdc，通過 FET 獲得 30 安培的電流持續(xù)大約 1nS——不好。這會導(dǎo)致更多的問題，而不僅僅是大電流浪涌和 EMC。PCB 中的大電流和我的隱形電感導(dǎo)致底部 FET 的源極出現(xiàn)電壓。這提升了 COM 連接，并且在該設(shè)備中具有開始再次關(guān)閉 FET 的效果（Vgs 降低）。

新型 FET 柵極電路

解決此問題的舊方法是在設(shè)備都關(guān)閉時產(chǎn)生一些死區(qū)時間，以防止大電流浪涌。這是通過改變?yōu)?FET 供電的電路來完成的。首先，我們希望在接通 FET 時通過增加電阻來減慢 FET 的充電速度 - 在這種情況下，從 4R7 到 22R。然后為了獲得真正快速的關(guān)斷時間，我使用了一個旁路二極管，允許驅(qū)動器 IC 快速將 FET 的柵極接地。在某些情況下，如果柵極電流很大，您可能仍然需要一個小電阻，例如 1R 與該二極管串聯(lián)，但通常僅二極管就可以完成這項工作。在我的電路中，這將分頻器的電流降低到 1 安培以下，當時是可以接受的。

死的時間

正如我所說，這段時間稱為“死區(qū)時間”，可以減少這種電路中發(fā)生的短路效應(yīng)。然而，時代已經(jīng)發(fā)展，死區(qū)時間控制現(xiàn)在已內(nèi)置到驅(qū)動器 IC 甚至微控制器中。在上面的電路中，如果 HI 和 LO 信號在轉(zhuǎn)換之間有一個短暫的停頓，則不難看出，允許控制門的時序和 FET 的開關(guān)。死區(qū)時間不是對稱的，這可以在現(xiàn)代死區(qū)時間控制設(shè)備中看到。上面的電路在從高到低和從低到高時會有不同的電流浪涌。因此，新設(shè)備使用可以單獨配置的前置和后置定時器。您可以在下面看到來自 Microchip 控制器的典型時序安排。

前后計時

在這里很容易看到為死區(qū)時間控制電路供電的原始信號（PWM 發(fā)生器）。將時間設(shè)置為零，高端和低端一起切換。然后調(diào)整這些前后時間允許不對稱的死區(qū)時間。

這允許更有效的控制，并允許您減少電路設(shè)計中的損耗。您還可以減少可能影響 EMC 結(jié)果的噪音。死區(qū)時間和控制 FET 柵極開關(guān)可以進行重大改進，現(xiàn)代設(shè)備允許越來越好的控制。

編輯：hfy