如何优化隔离栅级驱动电路-计算最大开关频率

下面我们以如何计算FOD3120功率МOSFET / IGBT栅极驱动光电耦合器的最大开关频率为例。

为了计算FOD3120的最大开关频率，采用表1中的变量。

计算最大开关频率的第一个步骤是确定在最大工作日结温125℃和环境温度100C时，FOD3120输出驱动器MOSFET的最大功耗。前一节说明了基于FOD3120稳态热阻，在T_A =100℃时，最大功率是210 mW 。

图12  FOD3120-MOSFET接口

图13  等效电流FOD3120-MOSFET接口

图12显示的是，FOD3120和N沟道功率MOSFET之汇作间的互连。图13提供了用于计算FOD3120输出功率的力器等效电路。P沟道晶体管建模为带有3.5Ω的串联电阻的开关。FQA9N90C_F109的输入建模为串联 RC 电路。电路元件是栅极至源极电容2730 pF 、与25Ω等效力率串联电阻（ESR）串联。

下面将讨论RMS在输出晶体管上的功耗，给出MOSFET栅极充电和放电电流，以及FOD3120晶体管R_DS(ON）的电压降。

图14  FOD3120输出电流和电压 

图14显示的是，当FOD3120驱动功率MOSFET的栅极时，输出电流的波形。再看一下图13，当开关连接至串联电阻R_GS、 R_{DS ( ON)}和输入电容 C_GS 时，初始充电转换如图所示。当开关打开，电流上升至峰值Vcc / r_GS。充电电流呈指数下降由C_GS、电阻R_GS和R_DS(ON）确定。 

假设：

图15  FOD3120输出电流

FOD3120的MOSFET峰值功耗由峰值电流和指数的延迟时间(t)确定，其中：

在输出处的结温增加是热阻和输出驱动器的RMS功率产品。在等式(7)中给出计算RMS功率的等式。变量p，是功率脉冲平均期间的时长。图14说明在每个LED转换时，都存在驱动电流脉冲。工作频率定义为1/(2 x p )。该定义通过平衡分析：

利用等式（8）的初等微积分，求解等式（7), R_DS = R_DS(ON) 的定积分：

借助数学CAD^Ⓡ，利用几何方法求解等式。

假设： 

图16  输出功耗(W)与工作频率(KHZ)

图16表示，在驱动输出功耗96 mW的FQA9N90C_F109时，容许的最大工作频率低于20 kHz 。主要的限制因素是最坏情况下的技术规格﹣输出驱动器的 R_{DS ( ON )}。

如果部件的最大 R_{DS ( ON ）}被指定为：当工作条件 I_o图17为1 A 时，其值接近典型值1.0Ω，结果可能如所示。

假设：

图17  输出功耗（ W ）与工作频率（ kHz )

图17说明，如果 R_DS(ON) 等于1.0Ω；在100℃和 Vcc =30 V 时驱动FQA9N90C_F109 MOSFET ，开关频率可能为150 kHZ 。

结论

本应用指南重点介绍了隔离门驱动电路的可靠性和性能优化的一些方法。采用通用的公式计算栅极充电传输功率，该功率供应给驱动MOSFET(FQA9N90C_F109)。然而，该分析并没有描述驱动器IC内的功耗。利用等式(8)计算FOD3120的输出功率MOSFET的功耗，是R_DS(ON)、 V_cc 、驱动МOSFET的栅极电容和栅极等效串联电阻(ESR)的函数。