一種功率MOSFET半橋驅動電路設計

閻治安，趙發明，馮寶文，季明月

(西京學院，陜西西安710123)

?

一種功率MOSFET半橋驅動電路設計

閻治安，趙發明，馮寶文，季明月

(西京學院，陜西西安710123)

摘要設計了一種用于MUPS裝置的功率MOSFET半橋驅動電路，該電路基于TC4420芯片配合SG3525芯片作為驅動和控制模塊，提高了逆變器驅動電路正常運行的穩定性。揭示了該MOSFET驅動電路的機理，設計計算了控制和驅動芯片外圍電路及主要參數。并通過軟件Saber搭建了該模塊的仿真模型，仿真結果證明了該驅動電路的可行性。

關鍵詞MOSFET；SG3525；TC4420；驅動電路；仿真模型

0引言

MUPS是專門針對低壓電機類負載而設計的不間斷電源系統，當主電源失電后確保關鍵電動機繼續運行的系統設備。而在MUPS的各個組成部分中，最關鍵的部分是逆變器。隨著現代逆變技術的不斷發展，功率MOSFET開關頻率的提高，對驅動電路的響應速度和驅動能力的要求也隨之提高，這就要求驅動電路在具有更快的響應速度、更強的驅動能力的同時兼顧可靠性和穩定性。而傳統的MOSFET驅動電路存在諸多問題，如電源適用范圍窄、驅動電流小、驅動電路整體設計比較復雜等，本文旨在采用國內外較先進的功率驅動芯片構成智能驅動器來解決此類問題。

因此，設計了一種用驅動芯片TC4420和電壓脈寬型控制芯片SG3525構成的半橋逆變驅動模塊，具有單電源工作、控制與驅動信號隔離、穩壓范圍寬、外圍電路簡單、響應速度快、可靠性和穩定性好等特點。該驅動電路不僅可用于各種通用的MUPS電源中，也能夠應用于變頻電源等各種DC-AC類電源中。

1功率MOSFET驅動電路設計

1.1MOSFET驅動電路設計要求

MOSFET驅動電路是整個逆變器的核心，驅動電路的穩定性直接影響到逆變器的性能，而逆變器的性能在很大程度上影響到了整個逆變焊接電源的正常運行，因此在設計驅動電路時，不僅要考慮到驅動電路的響應速度、驅動能力還要兼顧其可靠性與穩定性。驅動電路具體的設計要求涉及到以下幾個方面[2]。

(1)開關管導通瞬時，應提供足夠大的充電電流；

(3)開關管關斷瞬時，應提供一個盡可能低阻抗的通路；

(4)開關管關斷瞬時，應提供一定的負電壓；

(5)驅動電路結構簡單可靠、損耗小，最好有隔離。

按照上述電路設計要求，做到了15V的正驅動電壓及-5V的反向驅動電壓，保證了MOSFET的可靠開通與關斷；9A的輸出峰值電流，使MOSFET能迅速建立柵控電場而導通；快速的上升和下降時間，保證了上升沿和下降沿的陡峭；延遲時間短(典型值為30ns)，提高了工作效率；采用脈沖隔離變壓器使信號電路與柵極驅動電路有效隔離。

1.2驅動電路總體設計

功率MOSFET半橋驅動電路總體設計的框圖如圖1所示。圖中直流輸入經過功率MOSFET逆變后，經高頻變壓器輸出高頻交流。輸出采樣信號以及過壓過流保護信號送至SG3525控制芯片，用來控制PWM信號的輸出，PWM信號再由TC4420驅動芯片控制功率MOSFET的通斷，從而控制輸出電壓。

1.3SG3525控制電路設計

為了方便介紹SG3525控制芯片外圍電路及主要參數的計算,需要了解芯片的引腳圖。圖2給出了SG3525的引腳圖[3]，最常用的引腳包括：1腳反向輸入端和2腳同相輸入端構成電壓比較電路，從而控制輸出PWM脈沖的寬度；11腳和14腳為兩路相差180°PWM脈沖的輸出端；5腳CT端、6腳RT端和7腳放電端決定了SG3525振蕩器的振蕩頻率及PWM的死區時間；15腳Vs端為偏置電壓輸入端；16腳Vref端為基準電源輸出端。

配電網是具有環路結構的網絡，故在選擇染色體時候考慮到：配電網運行時，無環網和孤島存在，任一個環僅有一個開關打開，同一環中的支路用一段基因塊表示，有幾個環對應的染色體就有幾個基因塊組成，每一個基因塊中僅有一個基因位為0，其他為1。對染色體編碼方式采用位于同一環內的開關在同一基因塊當中，方便判斷并及時排除不可行解。

SG3525控制電路的外圍電路設計及主要參數計算如下。

(1)確定振蕩器的振蕩頻率

SG3525振蕩器的振蕩頻率主要由6腳外接的定時電阻Rt以及5腳外接的定時電容Ct和放電電阻Rd共同決定。其滿足式(1)[4]即

(1)

(2)確定PWM死區時間

PWM死區時間不僅與放電電阻Rd有關，還與定時電阻Rt有關。

此次設計的功率MOSFET驅動電路的開關頻率為40kHz，則PWM控制器SG3525的振蕩頻率為80kHz，現取Rt=16kΩ，則由Rd與Rt關系曲線[5],取220Ω，帶入式(1)得

(2)

式中，Ct ≈1.09μF，實際取標稱值Ct=1μF。

(3)8腳可接軟起動電容，通過所接對地電容的充放電可以決定該芯片的軟起動時間，一般取1～10μF，本電路取2μF。

(4)1腳是內部誤差放大器反向輸入端，通過與2腳內部誤差同相輸入端的給定電壓進行比較，從而控制輸出的PWM脈沖寬度。在應用時，通常2腳接給定基準，1腳接采樣信號。仿真時，2腳接16腳引出的2.5V基準電壓，1腳用VCVS代替電壓采樣信號。

(5)10腳作為外部控制端，當輸入信號為低電平時，PWM脈沖信號正常輸出；當為高電平時，芯片停止工作，不輸出PWM信號。該端在應用時，可接過壓、過流、過熱等保護的輸入信號，仿真時接低電平。

(6)11腳和14腳輸出兩路相位相差180°的PWM驅動信號。

1.4TC4420驅動放大電路的設計

MOSFET的驅動電路采用脈沖變壓器和兩片驅動芯片TC4420構成，TC4420驅動放大電路原理圖如圖3所示。電容C1～C6為去耦電容，是為了濾除輸入和輸出端的噪聲，以滿足驅動電路電流的變化，避免相互間的耦合干擾，二極管D1～D4的作用是消除反電動勢對TC4420的影響。

TC4420是Microchip公司生產的6A高速MOSFET/IGBT驅動器，具有4.5～18V的寬輸入電壓，上升和下降時間迅速，傳輸延時短，輸出阻抗低同時具有閉鎖保護。因為SG3525的驅動功率較小，不能勝任驅動開關管穩定工作的要求，因此需要加上驅動放大電路，以增大驅動電流功率，提高驅動電路的可靠性。圖3中知，采用了兩片TC4420構成驅動放大電路，其中當SG3525輸出的PWM1為高電平，PWM2為低電平時，經過TC4420驅動放大后輸出，在脈沖變壓器一次側所流過的電流從PWMA流向PWMB，如圖3中箭頭所示。電壓的正方向為下正上負。根據變壓器的同名端和接線方式，則開關管Q1的柵極電壓為正，Q2的柵極電壓為負，此時是驅動Q1管導通。反之若是PWM1為低電平，PWM2為高電平時，則是驅動Q2管導通。

通過驅動芯片TC4420與控制芯片SG3525配合構成驅動電路，使得外圍電路簡單，響應速度快，在提升了驅動能力的同時，也提高了驅動電路的穩定性與可靠性。

3功率MOSFET半橋驅動電路仿真及其結果

在Saber環境下搭建了仿真電路，仿真原理圖如圖4所示。兩片TC4420芯片的輸出分別控制兩個MOSFET的開通與關斷。

圖5和圖6給出了設計電路的仿真結果，其中驅動波形圖如圖5所示，輸出脈寬調制波形如圖6所示。

圖5的上下兩個波形分別表示仿真電路中SG3525輸出的兩路相位相反的驅動信號，從圖中可以看出，驅動脈沖的頻率約為44kHz，占空比約為45%，死區時間約為3μs。

為了驗證SG3525的脈寬調制特性，通過調整反饋電壓[6]，從圖6中可以得知，當反饋電壓增大時，驅動脈沖的脈寬隨之收窄，從而縮短開關管導通時間，進而降低了電壓 ，保證了驅動電路的穩定性。

3結語

本文根據TC4420和SG3525兩種芯片的工作特點，設計了功率MOSFET的半橋式控制驅動電路，并在Saber環境中搭建仿真模型，仿真結果驗證了電路的可行性，本驅動電路完全可以應用于電機拖動中的各種DC-AC類驅動電源，特別是送變器趨動電路的穩定運行，從而保證了變頻電機的正常運行。

參考文獻

[1]田穎,陳培紅.功率MOSFET驅動保護電路設計與應用[J]. 電力電子技術,2005,39(1):73-80.

[2]王曉峰，王京梅.基于SG3525的開關電源設計[J]. 電子科技，2100,6(24):118-121.

[3]黃衛東,于瑞強.共享學習模式下知識服務云平臺的構建研究[J].電信科學,2011,12:6-12.

[4]王水平. MOSFET/IGBT驅動器集成電路應用集萃[M]. 北京：中國電力出版社，2010.

[5]梅開鄉. SG3525芯片在開關(逆變)電源中的應用[J]. 電子工程師，2006,32(6):28-3.

Design of a Power MOSFET Half-Bridge Driving Circuit

YanZhian,ZhaoFaming,FengBaowen,andJiMingyue

(Xijing University, Xi′an 710123, China)

AbstractA power MOSFET half-bridge driving circuit used for equipment MUPS is designed. Taking chip TC4420 together with chip SG3525 as driving and control modules, stability of inverter-driven circuit at normal operation is improved. This paper reveals the mechanism of MOSFET driving circuit, designs and calculates peripheral circuit and its main parameters of the control and drive chips. The simulation model of this module is built by software saber, and the simulated results prove feasibility of the driving circuit.

Key wordsMOSFET；SG3525；TC4420；driving circuit；simulation model

收稿日期：2015-10-28

作者簡介：閻治安男1951年生；教授，碩士生導師，研究方向為電機設計及控制.

中圖分類號：TM301.2

文獻標識碼：A

文章編號：1008-7281(2016)01-0022-004

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.01.07