高頻MOS驅(qū)動(dòng)電路仿真波形實(shí)驗(yàn)波

介紹并分析研究了幾種較簡(jiǎn)單實(shí)用的驅(qū)動(dòng)電路,給出了電路圖,部分仿真波形或?qū)嶒?yàn)波。

1 引言

開(kāi)關(guān)電源由于體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用已越來(lái)越普及。MOSFET由于開(kāi)關(guān)速度快、易并聯(lián)、所需驅(qū)動(dòng)功率低等優(yōu)點(diǎn)已成為開(kāi)關(guān)電源最常用的功率開(kāi)關(guān)器件之一。而驅(qū)動(dòng)電路的好壞直接影響開(kāi)關(guān)電源工作的可靠性及性能指標(biāo)。一個(gè)好的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的要求是：

(1)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通瞬時(shí),驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)能提供足夠大的充電電流使MOSFET柵源極間電壓迅速上升到所需值,保證開(kāi)關(guān)管能快速開(kāi)通且不存在上升沿的高頻振蕩;

(2)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間驅(qū)動(dòng)電路能保證MOSFET柵源極間電壓保持穩(wěn)定使可靠導(dǎo)通;

(3)關(guān)斷瞬間驅(qū)動(dòng)電路能提供一個(gè)盡可能低阻抗的通路供MOSFET柵源極間電容電壓的快速泄放,保證開(kāi)關(guān)管能快速關(guān)斷;

(4)關(guān)斷期間驅(qū)動(dòng)電路最好能提供一定的負(fù)電壓避免受到干擾產(chǎn)生誤導(dǎo)通;

(5)另外要求驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠,損耗小,最好有隔離。

本文介紹并討論分析一下作者在研制開(kāi)關(guān)電源中使用的幾種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可行的MOSFET管驅(qū)動(dòng)電路。

2 幾種MOSFET驅(qū)動(dòng)電路介紹及分析

2.1 不隔離的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路

圖1(a)為常用的小功率驅(qū)動(dòng)電路,簡(jiǎn)單可靠成本低。適用于不要求隔離的小功率開(kāi)關(guān)設(shè)備。圖1(b)所示驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)關(guān)速度很快,驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),為防止倆個(gè)MOSFET管直通,通常串接一個(gè)0.5～1Ω小電阻用于限流,該電路適用于不要求隔離的中功率開(kāi)關(guān)設(shè)備。這兩種電路結(jié)構(gòu)特簡(jiǎn)單。

功率MOSFET屬于電壓型控制器件,只要柵極和源極之間施加的電壓超過(guò)其閾值電壓就會(huì)導(dǎo)通。由于MOSFET存在結(jié)電容,關(guān)斷時(shí)其漏源兩端電壓的突然上升將會(huì)通過(guò)結(jié)電容在柵源兩端產(chǎn)生干擾電壓。常用的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)斷回路阻抗小,關(guān)斷速度較快,但它不能提供負(fù)壓,故其抗干擾性較差。為了提高電路的抗干擾性,可在此種驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ)上增加一級(jí)由V1、V2、R組成的電路,產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓,電路原理圖如圖2(a)所示。

當(dāng)V1導(dǎo)通時(shí),V2關(guān)斷,兩個(gè)MOSFET中的上管的柵、源極放電,下管的柵、源極充電,即上管關(guān)斷、下管導(dǎo)通,則被驅(qū)動(dòng)的功率管關(guān)斷;反之V1關(guān)斷時(shí),V2導(dǎo)通,上管導(dǎo)通,下管關(guān)斷,使驅(qū)動(dòng)的管子導(dǎo)通。因?yàn)樯舷聝蓚€(gè)管子的柵、源極通過(guò)不同的回路棄、放電,包含有V2的回路由于V2會(huì)不斷退出飽和直至關(guān)斷,所以對(duì)于S1而言導(dǎo)通比關(guān)斷要慢,對(duì)于S2而言導(dǎo)通比關(guān)斷要快,所以?xún)晒馨l(fā)熱程度也不完全一樣,S1比S2發(fā)熱要嚴(yán)重。該驅(qū)動(dòng)電路的缺點(diǎn)是需要雙電源,且由于R的取值不能過(guò)大,否則會(huì)使V1深度飽和,影響關(guān)斷速度,所以R上會(huì)有一定的損耗。

還有一種與其相類(lèi)似的電路如圖2(b)所示,改進(jìn)之處在于它只需要單電源。其產(chǎn)生的負(fù)壓由5.2V的穩(wěn)壓管提供。同時(shí)PNP管換成NPN管。在該電路中的兩個(gè)MOSFET中,上管的發(fā)熱情況要比下管較輕,其工作原理同上面分析的驅(qū)動(dòng)電路,故不再贅述。

2.2 隔離的驅(qū)動(dòng)電路

(1)正激式驅(qū)動(dòng)電路

電路原理圖如圖3(a)所示,N3為去磁繞組,S2為所驅(qū)動(dòng)的功率管。R2為防止功率管柵極、源極端電壓振蕩的一個(gè)阻尼電阻。因變壓器漏感較小,且從速度方面考慮,一般R2較小,故在分析中忽略不計(jì)。其工作波形分為兩種情況,一種為去磁繞組導(dǎo)通的情況,見(jiàn)圖4(a);一種為去磁繞組不導(dǎo)通的情況,見(jiàn)圖4(b)。

等值電路圖如圖3(b)所示,脈沖變壓器的副邊并聯(lián)—電阻R1,它做為正激式變換器的假負(fù)載,用于消除關(guān)斷期間輸出電壓發(fā)生振蕩而誤導(dǎo)通,見(jiàn)圖5。同時(shí)它還可作為功率MOSFET關(guān)斷時(shí)的能量泄放回路。該驅(qū)動(dòng)電路的導(dǎo)通速度主要與被驅(qū)動(dòng)的S2柵、源極等效輸入電容的大小、S1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的速度以及S1所能提供的電流大小有關(guān)。由仿真及分析可知,占空比D越小、R1越大、L越大,磁化電流越小,U1值越小,關(guān)斷速度越慢。

該電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：①電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠,實(shí)現(xiàn)了隔離驅(qū)動(dòng)。②只需單電源即可提供導(dǎo)通時(shí)正、關(guān)斷時(shí)負(fù)壓。③占空比固定時(shí),通過(guò)合理的參數(shù)設(shè)計(jì),此驅(qū)動(dòng)電路也具有較快的開(kāi)關(guān)速度。該電路存在的缺點(diǎn)：一是由于隔離變壓器副邊需要一個(gè)假負(fù)載防震蕩,故該電路損耗較大;二是當(dāng)占空比變化時(shí)關(guān)斷速度變化加大。脈寬較窄時(shí),由于是貯存的能量減少導(dǎo)致MOSFET柵極的關(guān)斷速度變慢。表1為不同占空比時(shí)關(guān)斷時(shí)間toff(驅(qū)動(dòng)電壓從10伏下降到0伏的時(shí)間)內(nèi)變化情況。

(2)有隔離變壓器的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路

如圖6(a)所示,V1、V2為互補(bǔ)工作,電容C起隔離直流的作用,T1為高頻、高磁率的磁環(huán)或磁罐。導(dǎo)通時(shí)隔離變壓器上的電壓為(1-D)Ui、關(guān)斷時(shí)為DUi,若主功率管S可靠導(dǎo)通電壓為12V,則隔離變壓器原副邊匝比N1/N2為12/(1-D)/Ui。為保證導(dǎo)通期間GS電壓穩(wěn)定C值可稍取大些。實(shí)驗(yàn)波形見(jiàn)圖7(a)。該電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①電路結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單可靠,具有電氣隔離作用。當(dāng)脈寬變化時(shí),驅(qū)動(dòng)的關(guān)斷能力不會(huì)隨著變化。

②該電路只需一個(gè)電源,即為單電源工作。隔直電容C的作用可以在關(guān)斷所驅(qū)動(dòng)的管子時(shí)提供一個(gè)負(fù)壓,從而加速了功率管的關(guān)斷,且有較高的抗干擾能力。

但該電路所存在的一個(gè)較大缺點(diǎn)是輸出電壓的幅值會(huì)隨著占空比的變化而變化。當(dāng)D較小時(shí),負(fù)向電壓小,該電路的抗干擾性變差,且正向電壓較高,應(yīng)該注意使其幅值不超過(guò)MOSFET柵極的允許電壓。當(dāng)D大于0.5時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓正向電壓小于其負(fù)向電壓,此時(shí)應(yīng)該注意使其負(fù)電壓值不超過(guò)MOSFET柵極的允許電壓。所以該電路比較適用于占空比固定或占空比變化范圍不大以及占空比小于0.5的場(chǎng)合。

6(b)為占空比大于0.5時(shí)適用的驅(qū)動(dòng)電路,其中Z2為穩(wěn)壓二極管,此時(shí)副邊繞組負(fù)電壓值較大,Z2的穩(wěn)壓值為所需的負(fù)向電壓值,超過(guò)部分電壓降在電容C2上,其實(shí)驗(yàn)波形見(jiàn)圖7(b)。

(3)集成芯片UC3724/3725構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路

電路構(gòu)成圖如圖8所示。

其中UC3724用來(lái)產(chǎn)生高頻載波信號(hào),載波頻率由電容CT和電阻RT決定。一般載波頻率小于600kHz,4腳和6腳兩端產(chǎn)生高頻調(diào)制波,經(jīng)高頻小磁環(huán)變壓器隔離后送到UC3725芯片7、8兩腳經(jīng)UC3725進(jìn)行解調(diào)后得到驅(qū)動(dòng)信號(hào),UC3725內(nèi)部有一肖特基整流橋同時(shí)將7、8腳的高頻調(diào)制波整流成一直流電壓供驅(qū)動(dòng)所需功率。一般來(lái)說(shuō)載波頻率越高驅(qū)動(dòng)延時(shí)越小,但太高抗干擾性變差;隔離變壓器磁化電感越大磁化電流越小,UC3724發(fā)熱越少,但太大使匝數(shù)增多導(dǎo)致寄生參數(shù)影響變大,同樣會(huì)使抗干擾能力降低。

故根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究得出：對(duì)于開(kāi)關(guān)頻率小于100kHz的信號(hào)一般取(400～500)kHz載波頻率較好,變壓器選用較高磁導(dǎo)如5K、7K等高頻環(huán)形磁芯,其原邊磁化電感大小約1毫亨左右為好。這種驅(qū)動(dòng)電路僅適合于信號(hào)頻率小于100kHz場(chǎng)合,因信號(hào)頻率相對(duì)載波頻率太高的話,相對(duì)延時(shí)太多,且所需驅(qū)動(dòng)功率增大,UC3724和UC3725芯片發(fā)熱厲害溫升較高,故100kHz以上開(kāi)關(guān)頻率僅對(duì)較小極電容的MOSFET才可以。對(duì)于1kVA左右開(kāi)關(guān)頻率小于100kHz場(chǎng)合,它是一種性能良好的驅(qū)動(dòng)電路。該電路具有以下特點(diǎn)：?jiǎn)坞娫垂ぷ?控制信號(hào)與驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)隔離,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單尺寸較小,尤其適用于占空比變化莫測(cè)或信號(hào)頻率也變化的場(chǎng)合。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的幾種MOSFET驅(qū)動(dòng)電路均有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單可靠;單電源工作;適用于中小功率開(kāi)關(guān)電源。以上電路均已應(yīng)用到不同功率的實(shí)際開(kāi)關(guān)電源的原理樣機(jī)中,經(jīng)過(guò)了實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。