星載DC－DC電源MOS管驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

董 碩，陳 輝，許 娟，陸文斌，王正之

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

0 引 言

DC－DC電源是星載供電系統(tǒng)中的重要組成部分，開關(guān)MOS管開關(guān)速度快、可靠性高，普遍應(yīng)用于星載DC－DC開關(guān)電源中。隨著星載DC－DC電源不斷朝著小型化的方向發(fā)展，開關(guān)頻率越來越高，在高速開關(guān)情況下，MOS管的工作情況會(huì)對(duì)DC－DC開關(guān)電源的性能產(chǎn)生重大影響，因此必須根據(jù)MOS管的實(shí)際使用情況，設(shè)計(jì)合適的驅(qū)動(dòng)電路，保證MOS管工作在最佳狀態(tài)。MOS管驅(qū)動(dòng)電路主要分為非隔離驅(qū)動(dòng)電路和隔離型驅(qū)動(dòng)電路兩類。非隔離驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，設(shè)計(jì)方便；隔離型驅(qū)動(dòng)電路將控制端與功率端隔離，適用范圍廣，可靠性高。這兩類驅(qū)動(dòng)電路各有特點(diǎn)，可應(yīng)用于不同的星載DC－DC電源結(jié)構(gòu)中。

1 MOS管的工作原理

1.1 MOS管的等效電路模型［1，2］

MOS管是一種電壓型驅(qū)動(dòng)器件，由于沒有少數(shù)載流子的存貯效應(yīng)，輸入阻抗非常高，使得MOS管可以獲得很高的開關(guān)速度。但受MOS管自身結(jié)構(gòu)影響，MOS管內(nèi)部存在著寄生電容，會(huì)影響到MOS管的開關(guān)速度。以常用的增強(qiáng)型N溝道MOS管為例，其等效模型如圖1所示。其中柵源級(jí)電容Cgs和柵漏極電容Cgd與MOS管的結(jié)構(gòu)有關(guān)，漏源級(jí)電容Cds與MOS管的PN結(jié)有關(guān)。MOS管的柵極相當(dāng)于一個(gè)容性網(wǎng)絡(luò)，會(huì)造成MOS管驅(qū)動(dòng)信號(hào)與MOS管開關(guān)狀態(tài)之間出現(xiàn)延遲，影響MOS管的實(shí)際開關(guān)速度。

圖1 MOS管內(nèi)部等效電路模型

1.2 MOS管的工作過程

MOS管存在一個(gè)柵極門限電壓Ugs（TH），當(dāng) MOS管柵源級(jí)電壓高于門限電壓Ugs（TH），MOS管漏、源兩級(jí)開始導(dǎo)通。然而由于圖1中MOS管極間電容的存在，使得MOS管驅(qū)動(dòng)電壓的建立存在一定延遲，實(shí)際驅(qū)動(dòng)電壓建立過程如圖2所示。

在t0～t1時(shí)刻，柵極電流主要為柵源級(jí)電容Cgs充電，柵源級(jí)電壓緩慢上升，直至柵極電壓達(dá)到Ugs（TH）。在此期間MOS管未開通，漏源級(jí)電壓不變，漏極電流為0。

t1～t2時(shí)刻，柵源級(jí)電壓超過 MOS管門限電壓Ugs（TH），柵極電流繼續(xù)為電容 Cgs及電容 Cgd充電，柵極電壓持續(xù)升高，MOS管漏極電流開始增加，漏源級(jí)電壓基本維持不變。

t2～t3時(shí)刻，MOS管漏極電壓開始逐漸下降，柵漏級(jí)電容Cgd開始放電，柵極電流主要為Cgd放電電流，此時(shí)柵源級(jí)驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)出現(xiàn)一個(gè)暫態(tài)電壓平臺(tái)。

t3～t4時(shí)刻，MOS管處于完全導(dǎo)通狀態(tài)，柵極電流為電容Cgs及電容Cgd充電完成，柵源級(jí)電壓上升至驅(qū)動(dòng)電壓水平。

圖2 MOS管驅(qū)動(dòng)過程

MOS管的關(guān)斷過程與導(dǎo)通過程相反，極間電容需要進(jìn)行放電，放電能量與充電能量相同。

2 MOS管基本驅(qū)動(dòng)要求

在DC－DC電源中，開關(guān)MOS管主要存在兩種損耗，導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。為了減少開關(guān)損耗，就需要提高開關(guān)速度。為了提高開關(guān)速度，就需要減少圖2中t0～t4的時(shí)間，因此需要較大的電流為極間電容進(jìn)行充放電。在柵源極驅(qū)動(dòng)電壓建立起來之后，柵極只流過納安數(shù)量級(jí)的電流，柵極的驅(qū)動(dòng)電流基本可以忽略。因此為了快速驅(qū)動(dòng)MOS管，不僅需要足夠高的驅(qū)動(dòng)電壓，還需要提供足夠大的峰值驅(qū)動(dòng)電流。當(dāng)MOS管關(guān)斷時(shí)，MOS管柵極電容需要進(jìn)行放電，還需設(shè)計(jì)合理的放電回路。

MOS管峰值驅(qū)動(dòng)電流可由式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式中，dU為驅(qū)動(dòng)電壓；C為MOS管的柵極等效電容；dt為驅(qū)動(dòng)電壓上升時(shí)間，即圖2中t0～t3的時(shí)間。柵極等效電容可由式（2）得出

式中，Qg為MOS管總柵極電荷。

3 非隔離型MOS管驅(qū)動(dòng)電路

非隔離型MOS管驅(qū)動(dòng)電路是一種直接驅(qū)動(dòng)MOS管的方式，在星載DC－DC電路中的應(yīng)用如圖3所示。在星載DC－DC電源中，通常要求母線電壓與輸出電壓隔離，因此采用非隔離驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)電源的初次級(jí)隔離，還需要將DC－DC的反饋端進(jìn)行隔離設(shè)計(jì)，將輸出電壓進(jìn)行隔離采樣反饋回PWM控制電路中［3］。

圖3 非隔離MOS管驅(qū)動(dòng)電路的應(yīng)用

3.1 普通MOS管驅(qū)動(dòng)電路

對(duì)于MOS管開關(guān)時(shí)間要求不高的電路，通常采用圖4所示MOS管驅(qū)動(dòng)電路。其中R1用于控制MOS管開通時(shí)的波形上升時(shí)間，并有限流作用；電阻R2用于為MOS管關(guān)斷提供泄流通路。圖5為電阻R1分別為1Ω和5Ω情況下的MOS管柵極電壓變化情況。從圖中可以看出，電阻越小，MOS管柵極電壓的建立速度越快，開通速度越快。但開通速度過快會(huì)引起引線上的等效電感產(chǎn)生較高的電壓尖峰，影響EMI性能。同時(shí)，較小的電阻R1會(huì)使引線電感與MOS管極間電容之間的振蕩加大。因此，應(yīng)用中需根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)R1來調(diào)節(jié)MOS管的開關(guān)速度。

圖4電路中通過電阻R2為MOS管提供關(guān)斷時(shí)的電流泄放回路，其阻值通常在10 kΩ～20 kΩ，MOS管在關(guān)斷時(shí)的速度較慢，因此該電路適用于開關(guān)速度不高的場(chǎng)合，可滿足大多數(shù)低速開關(guān)MOS管的應(yīng)用。

圖4 普通MOS管驅(qū)動(dòng)電路

圖5 驅(qū)動(dòng)電壓仿真波形

3.2 圖騰柱MOS管驅(qū)動(dòng)電路

對(duì)于高壓大功率MOS管，其寄生電容通常較大，需要較大的驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而開關(guān)電源中常用的PWM控制芯片所提供的驅(qū)動(dòng)電流通常較小，無法滿足MOS管高速驅(qū)動(dòng)要求。在此條件下，可采用圖騰柱MOS管驅(qū)動(dòng)電路，電路原理圖如圖6所示。當(dāng)PWM信號(hào)為高電平時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，三極管Q2關(guān)斷，三極管Q1對(duì)驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行放大后驅(qū)動(dòng)MOS管快速導(dǎo)通；當(dāng)PWM信號(hào)為低電平時(shí)，三極管Q1關(guān)斷，三極管Q2導(dǎo)通，MOS管柵源級(jí)電容通過三極管Q2放電，實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷。通過采用Q1、Q2所組成的圖騰柱對(duì)MOS管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)以較小的控制電流高速驅(qū)動(dòng)MOS管。

圖6 圖騰柱驅(qū)動(dòng)電路

圖7為圖騰柱MOS管驅(qū)動(dòng)電路與普通MOS管驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)斷時(shí)的仿真波形對(duì)比，從圖中可以看出，圖騰柱MOS驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)斷速度明顯快于普通MOS管驅(qū)動(dòng)電路。

圖7 關(guān)斷波形對(duì)比

3.3 非隔離高邊MOS管驅(qū)動(dòng)電路

由于N溝道MOS管同P溝道MOS管相比，價(jià)格更低、導(dǎo)通速度更快、導(dǎo)通阻抗更低，使得大多數(shù)星載開關(guān)電源中普遍采用N溝道MOS管。N溝道在開關(guān)電源應(yīng)用中，很多時(shí)候會(huì)作為高邊開關(guān)器件，如圖8中所示的半橋開關(guān)電源電路中的MOS管Q1。對(duì)于這種高邊MOS管，通常采用集成電荷泵式自舉驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)［4］。

圖8 半橋開關(guān)電源電路

常用的集成電荷泵式自舉驅(qū)動(dòng)電路工作原理圖如圖9所示。當(dāng)PWM控制信號(hào)為低電平時(shí)，集成驅(qū)動(dòng)芯片中的開關(guān)Q1關(guān)斷，開關(guān)Q2導(dǎo)通，MOS管Q3柵源極電壓為低電平，MOS管Q3關(guān)斷。此時(shí)驅(qū)動(dòng)電平VCC通過二極管D1為電容C1充電，使電容C1兩端電壓上升至VCC。當(dāng)PWM控制信號(hào)為高電平時(shí)，集成驅(qū)動(dòng)芯片中的開關(guān)Q1導(dǎo)通，開關(guān)Q2關(guān)斷，由于電容C1兩端電壓不能突變，使得MOS管Q3的柵源極電壓保持與電容C1兩端電壓相同，即VCC，從而使MOS管Q3導(dǎo)通。

圖9 自舉驅(qū)動(dòng)電路

集成電荷泵式自舉驅(qū)動(dòng)器往往集成有大電流圖騰柱驅(qū)動(dòng)電路，可實(shí)現(xiàn)大電流高速驅(qū)動(dòng)高邊MOS管，且外圍電路簡(jiǎn)單、體積小，在地面DC－DC電源中有著廣泛的應(yīng)用。但是集成式驅(qū)動(dòng)芯片往往存在傳輸延遲，且在星載DC－DC電源中，由于芯片質(zhì)量等級(jí)限制，可選集成電荷泵式自舉驅(qū)動(dòng)器種類有限，因此應(yīng)用非常有限。

4 隔離型MOS管驅(qū)動(dòng)電路

在采用這種電路結(jié)構(gòu)的星載電路中，需要對(duì)輸出電壓進(jìn)行隔離采樣反饋，而隔離采樣反饋往往設(shè)計(jì)復(fù)雜，通常采用UC1901這種隔離采樣芯片或采用變壓器進(jìn)行調(diào)制，此類反饋電路調(diào)節(jié)范圍窄，且易受溫度等環(huán)境因素影響，降低星載DC－DC電源的準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度。采用隔離型MOS管驅(qū)動(dòng)可將驅(qū)動(dòng)控制端與功率端隔離，將輸出電壓直接反饋至PWM控制電路，簡(jiǎn)化了星載DC－DC電源的設(shè)計(jì)，控制精度高，其應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖如圖10所示［5］。

圖10 隔離驅(qū)動(dòng)電路的應(yīng)用

4.1 隔離型MOS管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

隔離型MOS管驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖11所示。PWM控制信號(hào)通過單端驅(qū)動(dòng)變壓器T1進(jìn)行隔離后，對(duì)MOS管Q1進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過驅(qū)動(dòng)變壓器保證了MOS管柵源級(jí)電壓與驅(qū)動(dòng)電壓相同，實(shí)現(xiàn)對(duì)MOS管的控制［6，7］。

圖11 隔離型MOS管驅(qū)動(dòng)電路

對(duì)于單端變壓器，如果線圈上的電壓出現(xiàn)直流分量，就很容易使變壓器飽和，導(dǎo)致變壓器功能失效。因此在驅(qū)動(dòng)變壓器T1前端增加隔直電容C1，去除驅(qū)動(dòng)信號(hào)中的直流分量。而電容C1在PWM驅(qū)動(dòng)波形的作用下，會(huì)產(chǎn)生一定的壓降，壓降與PWM驅(qū)動(dòng)波形的占空比D有關(guān)，其壓降為：

式中，Udrive為驅(qū)動(dòng)電壓。PWM驅(qū)動(dòng)電壓經(jīng)過電容C1后，會(huì)產(chǎn)生與占空比D有關(guān)的壓降，會(huì)造成驅(qū)動(dòng)電壓過低，因此在驅(qū)動(dòng)變壓器T1后端加入電容C2，電容C2上的電壓為：

式中，n為驅(qū)動(dòng)變壓器匝比；UD為二極管D1上的壓降。加入電容C2后，可以抵消電容C1上的壓降，最終得到MOS管柵源級(jí)兩端驅(qū)動(dòng)電壓為：

最終MOS管Q1柵源級(jí)所得驅(qū)動(dòng)電壓與PWM驅(qū)動(dòng)電壓相差約0.7 V，對(duì) MOS管開關(guān)性能影響不大。

當(dāng)PWM驅(qū)動(dòng)波形的占空比發(fā)生變化時(shí)，電容C1與驅(qū)動(dòng)變壓器T1上的電感會(huì)產(chǎn)生L－C振蕩，通過在電容C1前串聯(lián)電容R1可減緩該振蕩。R1的取值可參考式（6）。其中L為驅(qū)動(dòng)變壓器T1的原邊電感量，C為電容C1的電容值。但是過大的R1值會(huì)限制驅(qū)動(dòng)電流的大小，實(shí)際設(shè)計(jì)中需要根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。

驅(qū)動(dòng)變壓器是隔離驅(qū)動(dòng)電路的核心，通常選擇匝比為1∶1的驅(qū)動(dòng)變壓器。理想情況下變壓器不儲(chǔ)存和消耗能量，但實(shí)際使用中，驅(qū)動(dòng)電壓在驅(qū)動(dòng)變壓器線圈上會(huì)出現(xiàn)勵(lì)磁電流，勵(lì)磁電流峰值為：

式中，L為驅(qū)動(dòng)變壓器原邊電感，ton為MOS管導(dǎo)通時(shí)間。勵(lì)磁電流不參與驅(qū)動(dòng)MOS管，應(yīng)盡量減少，通常采用增加原邊電感量的方法來減少勵(lì)磁電流，原邊電感量過大，也會(huì)帶來變壓器繞組匝數(shù)增大、漏感增加的問題。為了以較少的匝數(shù)獲得較大的電感量，驅(qū)動(dòng)變壓器磁芯通常選擇高磁導(dǎo)率的鐵氧體磁芯，在選定磁芯后可根據(jù)式（8）計(jì)算驅(qū)動(dòng)變壓器原邊匝數(shù)。其中Ae為磁芯面積，ΔB為磁通密度變化量，其不超過磁芯飽和磁通密度的一半。

二極管D1用于消除驅(qū)動(dòng)變壓器副邊的負(fù)壓，圖12顯示了二極管D1對(duì)驅(qū)動(dòng)波形的影響。從圖中可以看出，在沒有二極管D1的情況下，雖然驅(qū)動(dòng)變壓器副端壓差為Udrive，但驅(qū)動(dòng)波形存在負(fù)壓，正壓偏低，會(huì)影響MOS管的驅(qū)動(dòng)速度。加入二極管D1后，負(fù)壓消失，MOS管柵源級(jí)電壓與驅(qū)動(dòng)電壓一致。

圖12 二極管對(duì)驅(qū)動(dòng)波形的影響

4.2 仿真結(jié)果

根據(jù)3.1節(jié)的設(shè)計(jì)要求，選擇N溝道 MOS管IRF640，電 阻 R1為5.1Ω，電 容 C1、電 容 C2為0.11μF，驅(qū)動(dòng)變壓器匝比為1∶1，原邊電感量為1 mH，電阻R2選擇5.1Ω，電阻R3選擇20 kΩ，二極管選擇1N4148，驅(qū)動(dòng)電壓12 V，頻率100 kHz，仿真結(jié)果如圖13所示。其中Udrive為PWM驅(qū)動(dòng)電壓波形，Ugs為MOS管Q1柵源級(jí)電壓波形。從圖13中可以看出，采用隔離驅(qū)動(dòng)電路對(duì)PWM驅(qū)動(dòng)電壓轉(zhuǎn)換后，MOS管柵源級(jí)電壓與PWM驅(qū)動(dòng)電壓波形時(shí)序相同，電壓值相差約0.7 V，實(shí)現(xiàn)了對(duì)MOS管Q1的隔離驅(qū)動(dòng)。MOS管隔離型驅(qū)動(dòng)可以很好地對(duì)PWM控制信號(hào)進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)化，可驅(qū)動(dòng)低邊或高邊MOS管，適用范圍廣，非常適用于星載DC－DC電源中。

圖13 隔離驅(qū)動(dòng)電路仿真波形

5 結(jié)束語

非隔離MOS管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，可滿足大多數(shù)MOS管的驅(qū)動(dòng)要求。在星載DC－DC電源中，出于對(duì)電源整體設(shè)計(jì)的考慮，隔離型驅(qū)動(dòng)電路可簡(jiǎn)化電源的設(shè)計(jì)，且隔離型驅(qū)動(dòng)電路可滿足MOS管低端驅(qū)動(dòng)及高端驅(qū)動(dòng)的要求，在星載DC－DC電源中適用性更廣，更具有優(yōu)勢(shì)。

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