MOSFET雙通路型斬波電路設計

改造者：孫雪峰

MOSFET雙通路型斬波電路設計

改造者：孫雪峰

電化學基礎

根據金屬腐蝕電化學基礎理論，不純凈的金屬或合金與電解質溶液接觸會發生原電池反應，導致金屬或合金腐蝕、產生微弱氣流、化學腐蝕和電化學腐蝕同時發生。而純金屬很容易與空氣（含CO2）和水長期接觸因酸性水膜而發生析氫以及因弱酸性和中性水膜而發生氧化等電化學腐蝕。

而電化學加工技術利用金屬的電化學腐蝕現象，在通電的電解液中，離子在電極和溶液之間形成動態流動，可以實現對工件材料的雙向加工。帶電離子的流動使其在溶液中分布不均勻，形成電位差。產生的電位差越靠近金屬表面增長越快些。

如果反應中金屬離子的析出和溶解速度互為補充，即金屬發生的氧化反應和還原反應達到一個動態平衡，我們稱這種狀態下的電極電位達到一個平衡電極電位，電極稱為可逆電極。達到平衡電極電位的條件有很多，其表達式可引用奈斯特方程式：

式中：E'是平衡電極電位，V；

根據具體金屬的不同性質表現，上述方程式可改寫成不同的簡式：

金屬電極簡式：

非金屬電極簡式：

處于平衡電極電位的狀態，電極上的離子保持動態平衡，電極上不會有電流流過。電化學加工過程是要利用電極上偏離平衡電極電位的電位差，甚至是強電流加快化學反應速度。電極上流經的電流強度越大，電極電位差越大，這種現象被稱為電極的極化。偏離差稱為超電壓。電極的極化趨勢為，電流加強促使兩級電極電位數值的絕對值增長。

研究表明，使用高頻脈沖型電化學電源進行微細電化學加工，能夠在很大程度上改善加工精度和表面質量，實現微小電極間隙加工，并為極小間隙加工提出一種可能。因為與直流電源相比，脈沖間歇時間用來分散電解液溫度和清除電解產物，使電極表面的極化減弱。

斬波電路設計

斬波電路作為高頻電化學加工電源的重要部分，是通過脈沖信號的控制，把主回路直流穩壓信號轉換為高頻信號的一種電路。其核心器件為MOSFET，MOSFET是單極性壓控器件，開關速度快，但存在極間電容。以MOSFET器件為核心所設計斬波電路的性能直接影響加工電源的質量性能。

圖1　MOSFET的開關過程

MOSFET的開關過程

在MOSFET工作過程中，每當遇到脈沖電壓uP的上升沿時刻t0，MOSFET會在輸入電容Ci的作用下開始充電，柵源電壓uGS 保持上升直到達到開啟電壓值uT時刻t1，此時漏極電流iD開始產生。從t0到t1這段時間，稱為開通延遲時間td（on）。t1時刻開始，iD伴隨uGS而增長。漏極電流iD增長到t2時刻達到一個穩態值，此時，柵源電壓uGS也增長到一個穩態值uGSP。從t1到t2這段時間稱為電流上升時間tri。t2時刻開始，漏極電流iD和柵源電壓uGS保持穩態值不變，漏極電壓uGS下降，直到t3時刻，uGS降為0。從t2到t3這段時間稱為電壓下降時間tfv。這段時間維持不變的柵源電壓uGS形成了一個值為uGSP的平臺，這個平臺被稱為米勒平臺（Miller Plateau），在t3時刻后又緩慢上升并在某一時刻到達最終的穩態值。至此MOSFET開通。事實上柵源電壓uGS保持不變的原因是柵極的信號給柵極和漏極的極間電容CGD（又稱米勒電容Miller Capacitance）反向充電使漏極電壓uDS降低，柵源電壓uGS保持不變。MOSFET的關斷過程的步驟和電氣特性的變化與開通過程相反，相應的電氣值則基本一致。

在實際工作工程中，MOSFET與其他各類電氣元件一樣，各項電氣特性值的測量和計算一般都是基于穩態值的10％、90％來定義的。而如圖中曲線所示的達到絕對滿度和絕對零的情況則是在定性分析開關各階段過程變化時有較多應用。

斬波電路的工作模型

MOSFET的開關模型如圖所示，開關特性好壞取決于極間電容的電壓變化快慢：

CGD= CR CR為反饋電容

CGS= CI -CR CI為輸入電容

CDS= CO -CR CO為輸出電容

在開關電路，特別是高頻開關電路中，開關特性的好壞的主要影響因素是MOSFET的動態特性，而MOSFET的動態特性是由內部的三個極間電容充放電速度快慢決定的，特別是柵源極間電容的充放電速度。在MOSFET正常工作時，維持其靜態工作的能量損失要遠遠小于維持其動態工作的能量損失，這是由于它超過千億量級歐姆的輸入高阻抗。所謂的動態工作狀態就是MOSFET處在開關和閉合交替轉換的工作狀態，工作狀態的轉換引起極間寄生電容充放電變化，勢必損失一定的能量。隨著開關頻率的增加，短時間內損失的能量則會更多。

在MOSFET關斷的時刻，MOSFET內部電位反差形成反向電流通路來釋放寄生電容儲存的電荷，高頻的工作狀態下，內部形成的反向電流通路會因為開關速度慢而造成電荷釋放時間較長，這時MOSFET就會在寄生電容的電荷量尚未釋放完全時改變工作狀態，開關特性變差。

如圖2是柵源極間電荷（即輸入電容的電荷）與柵源極間電壓的曲線圖。MOSFET導通，柵源極間電荷量逐漸增長，輸入電容充電。完全導通后，輸入電容不再增長，而柵源極間電壓會繼續增長。所以，MOSFET開關性能主要看柵源極間電容的充放電速度。

圖2　MOSFET雙通路型斬波電路

MOSFET雙通路型斬波電路

本設計結合以MOSFET為主要功率器件、應用于高頻微細電化學加工的研究，提出了一種具有較強抗干擾能力和負載能力的MOSFET雙通路型斬波電路。兩路MOSFET開關管的柵極控制信號頻率相同，相位相差180度，因此兩路MOSFET器件在同一時刻只有一個開通一個關斷，R為限流電阻。

當T1的控制信號為由高電平轉換為低電平時，T2的控制信號由低電平轉換為高電平。此時開關管T1由開通轉換為關斷，T2由關斷轉換為開通，工件兩端電壓為工作電壓U，電路為微細電化學加工狀態。當T1的控制信號從低電平變成高電平時，T2的控制信號從高電平變成低電平，開關管T1自關變開，T2自開變關，此時工件回路為開路，工作狀態為微細電化學加工間隙。在電壓轉換的過程中，工件兩端由于維持電壓的存在也不會立即變為零，而因為開關管T1的存在，開通的T1與工件組成回路，迅速地釋放掉兩極間積蓄的電荷，有效地消除維持電壓，提高了電化學微細加工的加工精度和表面質量。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.24.043