基于變壓器隔離的功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)設(shè)計(jì)

廖鴻飛，梁奇峰，彭建宇

（中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 中山528400）

0 引 言

功率場效應(yīng)晶體管（功率MOSFET）是一種單極型電壓控制器件，沒有少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)，具有開關(guān)速度快，開關(guān)頻率高，輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)，因此在開關(guān)電源裝置中得到了廣泛的應(yīng)用［1－2］。在開關(guān)電源裝置中，根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)，經(jīng)常需要將主電路與驅(qū)動(dòng)電路隔離，因此需要采用隔離驅(qū)動(dòng)方式。

在功率裝置中，常采用的隔離驅(qū)動(dòng)方式有光電耦合隔離驅(qū)動(dòng)及脈沖變壓器隔離驅(qū)動(dòng)。由于光電耦合隔離驅(qū)動(dòng)方式的開關(guān)速度較慢，成本高，不適合應(yīng)用于高頻開關(guān)電源。脈沖變壓器隔離驅(qū)動(dòng)方式具有電路結(jié)構(gòu)簡單可靠，成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此在開關(guān)電源中得到了廣泛的應(yīng)用。本文主要介紹了常用的變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)及其工作原理，給出了電路中各元件的參數(shù)設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，提高了驅(qū)動(dòng)電路的可靠性和驅(qū)動(dòng)性能。

1 變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路

由于開關(guān)電源的開關(guān)頻率較高，而高速光耦的開關(guān)速度通常在50 kHz以下，并且價(jià)格較高，因此在開關(guān)電源中，通常采用脈沖變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路。變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路有單電容變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路和雙電容變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路。

（1）單電容變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路

單電容變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路是在變壓器原邊串聯(lián)了一個(gè)隔直電容，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于PWM芯片輸出的驅(qū)動(dòng)波形通常含有直流成分，會(huì)造成隔離脈沖變壓器的偏磁。因此在隔離驅(qū)動(dòng)變壓器的原邊串聯(lián)隔直電容，以濾除驅(qū)動(dòng)脈沖中的直流成分。

圖1 單電容隔離驅(qū)動(dòng)電路

假設(shè)驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比為D，則隔直電容Cc兩端的直流電壓為：

假設(shè)隔離驅(qū)動(dòng)變壓器的變比為n，則MOSFET柵源極間的電壓為：

由式（2）可以看出，MOSFET柵源極間的電壓UGS是隨占空比變化的，因此不適用于占空比變化的PWM電路。但由于這種電路結(jié)構(gòu)簡單，因此在占空比固定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如LLC、移相全橋等電路中得到了廣泛應(yīng)用。

（2）雙電容變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路

由于單電容變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路中隔直電容上的直流電壓隨占空比變化，使得驅(qū)動(dòng)電路輸出的驅(qū)動(dòng)電壓也隨占空比變化。因此可以在隔離變壓器副邊增加一個(gè)電位平移電路，便可以補(bǔ)償隔直電容上的電壓降，使驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓不隨占空比變化。雙電容變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。Cc1為隔直電容，Cc2為電位平移電容。

隔直電容Cc1兩端的直流電壓為：

電位平移電容Cc2兩端的直流電壓為：

因此MOSFET柵源極間的電壓為：

從式（5）可以看出，雙電容變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路輸出的驅(qū)動(dòng)電壓與占空比無關(guān)，因此適合于占空比變化的PWM驅(qū)動(dòng)電路。

圖2 雙電容隔離驅(qū)動(dòng)電路

2 變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)的設(shè)計(jì)

隔離驅(qū)動(dòng)電路元件參數(shù)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣將直接決定變壓器驅(qū)動(dòng)電路的性能，由于雙電容變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路是在單電容變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ)上增加了電位平移電路，因此兩者的參數(shù)設(shè)計(jì)方法是一致的。

（1）隔直電容

隔直電容容量的大小，將直接決定了隔直電容兩端的紋波及驅(qū)動(dòng)電流。在開關(guān)管導(dǎo)通過程中電容所需要提供的驅(qū)動(dòng)電流為：

心理學(xué)家齊克森米哈里在《心流：最佳體驗(yàn)的心理學(xué)》一書中提到這樣一個(gè)案例：在荷蘭一家醫(yī)院里，有一名患有精神分裂癥的女性患者，住院已超過10年，思路不清、病況嚴(yán)重，一直以來都情緒淡漠。

由于電容的電壓與電流的關(guān)系式為：

聯(lián)立式（6）式（7）可得

（2）電位平移電容

與隔直電容的作用類似，在MOSFET導(dǎo)通過程中，電位平移電容CC2將為MOSFET柵極電荷以及柵源電阻提供電流。

（3）驅(qū)動(dòng)變壓器

驅(qū)動(dòng)變壓器應(yīng)保證在磁化過程中不飽和，因此所設(shè)計(jì)的匝數(shù)應(yīng)保證其磁通擺幅ΔB不能過大。

同時(shí)驅(qū)動(dòng)變壓器應(yīng)保證所傳遞的驅(qū)動(dòng)信號(hào)不失真、不延遲。因此驅(qū)動(dòng)變壓器的原副邊應(yīng)緊密耦合。

（4）驅(qū)動(dòng)電阻

從式（10）可以看出，增加驅(qū)動(dòng)電阻Rg可以抑制此寄生振蕩。但從圖3中可以看出，同時(shí)增大Rg會(huì)使得充電時(shí)間常數(shù)變大，使驅(qū)動(dòng)上升時(shí)間更長，使得功率MOSFET開通損耗增大。

圖3 MOSFET驅(qū)動(dòng)等效電路

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證采用了圖2所示電路，MOSFET采用STP5NM50N，驅(qū)動(dòng)變壓器采用EE－9磁芯，原副邊均采用0.15 mm的漆包線，驅(qū)動(dòng)電阻為22Ω，隔直電容CC1為1μF，電位平移電容CC2為1μF，實(shí)驗(yàn)波形如圖4所示。從波形上可以看到，上升速度快，波形平滑無振蕩。

圖4 驅(qū)動(dòng)波形

4 結(jié) 論

功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)可直接決定系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)品質(zhì)。文中闡述了兩種功率MOSFET變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路的工作原理，給出了變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路中隔直電容、電位平移電容、驅(qū)動(dòng)電阻、驅(qū)動(dòng)變壓器的參數(shù)計(jì)算方法，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此計(jì)算方法是合理有效的，驅(qū)動(dòng)波形平滑無振蕩，并且有較快的上升時(shí)間。

［1］ 田 穎，陳培紅.功率MOSFET驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.電力電子技術(shù)，2005，39（1）：73－80.

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