如何優化隔離柵級驅動電路-計算最大開關頻率

下面我們以如何計算FOD3120功率МOSFET / IGBT柵極驅動光電耦合器的最大開關頻率為例。

為了計算FOD3120的最大開關頻率，採用表1中的變量。

計算最大開關頻率的第一個步驟是確定在最大工作日結溫125℃和環境溫度100C時，FOD3120輸出驅動器MOSFET的最大功耗。前一節說明了基於FOD3120穩態熱阻，在T_A =100℃時，最大功率是210 mW 。

圖12  FOD3120-MOSFET接口

圖13  等效電流FOD3120-MOSFET接口

圖12顯示的是，FOD3120和N溝道功率MOSFET之匯作間的互連。圖13提供了用於計算FOD3120輸出功率的力器等效電路。P溝道電晶體建模為帶有3.5Ω的串聯電阻的開關。FQA9N90C_F109的輸入建模為串聯 RC 電路。電路元件是柵極至源極電容2730 pF 、與25Ω等效力率串聯電阻（ESR）串聯。

下面將討論RMS在輸出電晶體上的功耗，給出MOSFET柵極充電和放電電流，以及FOD3120電晶體R_DS(ON）的電壓降。

圖14  FOD3120輸出電流和電壓 

圖14顯示的是，當FOD3120驅動功率MOSFET的柵極時，輸出電流的波形。再看一下圖13，當開關連接至串聯電阻R_GS、 R_{DS ( ON)}和輸入電容 C_GS 時，初始充電轉換如圖所示。當開關打開，電流上升至峰值Vcc / r_GS。充電電流呈指數下降由C_GS、電阻R_GS和R_DS(ON）確定。 

假設：

圖15  FOD3120輸出電流

FOD3120的MOSFET峰值功耗由峰值電流和指數的延遲時間(t)確定，其中：

在輸出處的結溫增加是熱阻和輸出驅動器的RMS功率產品。在等式(7)中給出計算RMS功率的等式。變量p，是功率脈衝平均期間的時長。圖14說明在每個LED轉換時，都存在驅動電流脈衝。工作頻率定義為1/(2 x p )。該定義通過平衡分析：

利用等式（8）的初等微積分，求解等式（7), R_DS = R_DS(ON) 的定積分：

藉助數學CAD^Ⓡ，利用幾何方法求解等式。

假設： 

圖16  輸出功耗(W)與工作頻率(KHZ)

圖16表示，在驅動輸出功耗96 mW的FQA9N90C_F109時，容許的最大工作頻率低於20 kHz 。主要的限制因素是最壞情況下的技術規格﹣輸出驅動器的 R_{DS ( ON )}。

如果部件的最大 R_{DS ( ON ）}被指定為：當工作條件 I_o圖17為1 A 時，其值接近典型值1.0Ω，結果可能如所示。

假設：

圖17  輸出功耗（ W ）與工作頻率（ kHz )

圖17說明，如果 R_DS(ON) 等於1.0Ω；在100℃和 Vcc =30 V 時驅動FQA9N90C_F109 MOSFET ，開關頻率可能為150 kHZ 。

結論

本應用指南重點介紹了隔離門驅動電路的可靠性和性能優化的一些方法。採用通用的公式計算柵極充電傳輸功率，該功率供應給驅動MOSFET(FQA9N90C_F109)。然而，該分析並沒有描述驅動器IC內的功耗。利用等式(8)計算FOD3120的輸出功率MOSFET的功耗，是R_DS(ON)、 V_cc 、驅動МOSFET的柵極電容和柵極等效串聯電阻(ESR)的函數。