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功率场效应管驱动电路的研究

字号+ 作者:admin 来源:未知 2010-04-17 10:36 我要评论( )

1 前言 功率场控制器件泛指一切用电压信号控制工作电流的电力电子器件。这类器件的基本特点是输入阻抗极高,因而所需驱动功率很小,而且大多数器件在控制信号撤除之后即会自行关断,是一种高性能的自关断器件。与各种双极型电力电子器件相比,功率MOSFET从原


1  前言

功率场控制器件泛指一切用电压信号控制工作电流的电力电子器件。这类器件的基本特点是输入阻抗极高,因而所需驱动功率很小,而且大多数器件在控制信号撤除之后即会自行关断,是一种高性能的自关断器件。与各种双极型电力电子器件相比,功率MOSFET从原理到性能都有很多独特之处。在电力电子电路中充分利用和发挥这些特长,可把电力电子技术推入一个新的阶段。功率MOSFET在线性放大和功率开关等方面的应用正在向深度和广度迅速发展,各种新颖电路不断问世。这里仅就栅极驱动方面的问题进行探讨。

2  关于驱动电路的有关问题

MOSFET管工作在高频时,为了防止振荡,有两点必须注意,第一,尽可能减少MOSFET各端点的连接线长度,特别是栅极引线,如果无法使引线缩短,则可按图1所示,靠近栅极处串联一个小电阻以便控制寄生振荡;第二,由于MOSFET的输入阻抗高,驱动电源的阻抗必须比较低,以避免正反馈所引起的振荡,特别是MOSFET的直流输入阻抗非常高,但它的交流输入阻抗是随频率而改变的,因此MOSFET的驱动波形的上升和下降时间与驱动脉冲发生器阻抗有关。

另外,MOSFET的栅—源极间的硅氧化层的耐压是有限的,如果实际的电压数值超过元件的额定值,则就会被击穿,产生永久性的损坏。实际的栅—源电压最大值在20~30V之间。值得指出的是,即使实际电压为20V,仍然要细致分析一下是否会出现由于寄生电感引起的电压快速上升的尖峰,引起击穿MOSFET的硅氧化层问题。

 

图1  MOSFET工作在共源极的电路图

 

图2  用TTL驱动功率场效应管的电路图

3  实用的驱动电路

3.1 直接驱动式

比较简单又比较可靠的驱动方式是使用集电极开路的TTL按图2所示与功率MOSFET连接。这种方式可以产生足够高的栅压使器件充分导通,并保证较高的关断速度。由于外接负载电阻RL须有一定大小,以限制TTL的低电平输出晶体管的功率耗散,因而这种驱动方式的开通速度不够高。不过,对感性负载的开关电路来说,出于对动态损耗的考虑,关断速度的重要性就是要强一些。

图3所示的两种TTL驱动方式也是使用集电极开路的TTL,但在TTL与功率MOSFET之间加了附属电路。图3(a)所示的驱动方式是对简易方式的一种初步改进,它不但能降低TTL器件的功率耗散,也能保证较高的开通速度。图3(b)所示的驱动方式可进一步改善驱动性能,不但关断时间可以进一步缩短,开通时间与关断时间的差别也通过互补电路而消除。同时,在这种驱动方式中的两个外接晶体管起着射极跟随器的作用,因而功率MOSFET永远不会被驱动到饱和区。由于互补方式增加了驱动功率,这种方式更适合于大功率MOSFET的驱动。

 

图3  用TTL驱动功率场效应管的两种改进电路图

3.2  用CMOS传输门驱动

由于MOSFET有很高的输入阻抗,所以可考虑用CMOS电路直接驱动其栅极,如图4所示。

直接使用CMOS驱动功率MOSFET的优点是两者都可以用10~15V电源供电。为了保证功率MOSFET在传导逐渐上升的连续电流时工作在线性区,至少要使其栅压超过10V。CMOS也可用10~15V电源供电,这就可以直接将CMOS与功率MOSFET相接而不用任何附加电路,也不需要连外接电阻。但是,由于CMOS能够提供的充电电流和能够接受的放电电流都很有限,因而对功率MOSFET的开关速度有所影响。虽然CMOS缓冲器接受功率MOSFET栅极放电电流的能力比标准CMOS栅极高很多,但是提供充电电流的能力基本上还是一样。因此,跟使用集电极开路的TTL驱动功率MOSFET的情况类似,也可在MOSFET与功率MOSFET之间加图3所示的界面电路,唯一的差别是不再需要外接电阻R。

3.3 藕合驱动式

在某些情况下可以用脉冲变压器来驱动功率MOSFET的栅极,脉冲变压器可以提供必要的隔离。

图4(a)所示电路是这种驱动方式中最简单的一例。此电路中的二极管起限制驱动晶体管上的反馈电压的作用,升压比为1:1的脉冲变压器用来向功率MOSFET提供足够高的驱动电压。由于变压器次级在开和关两种状态中的电压与持续时间的乘积必须大小相等,因而驱动脉冲的占空比变化必须引起栅—源电压Ugs的变化。这是脉冲变压器栅极驱动力式的潜在问题。图4(b)是对这个问题的一个形象反映,当占空比从1/10增加到1/3时,Ugs的幅值从13.5V下降到10V。对于给定的15V原边电压,Ugb完全有可能下降到10V以下甚至低到不能使器件工作于线性区的程度。当然,增加原边电压可以提高最大的用占空比。

图4  用CMOS驱动功率场效应管的电路图

 

图5  简单的脉冲变压器驱动方式

 

图6  避免Im随脉宽变化的变压器栅极驱动电路

 

但图4所示的简易脉冲变压器驱动方式还有一个缺点,就是对脉冲的宽度有较大限制。如果脉冲过宽,磁饱和效应可能使原边绕组的电流猛然上升,最终令其烧毁。这种情况对容量较小的脉冲变压器尤其容易发生。脉冲过窄主要有两个问题。一个问题是脉冲间隔太长时,变压器漏感对充电电流的限制可能很大,另一个问题是磁化电流为驱动栅极关断所存贮的能量可能不够,因为脉冲过窄时,Im不能充分上升。这第二个问题可以用图5所示的电路来克服,从而使关断过程的驱动得以改善。

4  结束语

本文所述的三种类型的栅极驱动电路在实践中是很有应用价值的电路,在使用时可根据MOSFET所控制的功率情况来选择不同的驱动电路,小功率的MOSFET管可以用直接驱动,功率较大的MOSFET管可以使用图3(b)及图4、图5、图6所示的电路。


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