一種適應(yīng)高頻和寬占空比范圍工作的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路研究

郝科

摘 要：研究了一種基于磁耦合的場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路，該電路能夠在占空比大范圍變化和工作頻率較高的情況下保證驅(qū)動(dòng)波形符合要求。該電路提供了完全的電氣隔離，毋需輔助電源。該驅(qū)動(dòng)電路對(duì)驅(qū)動(dòng)變壓器漏感不敏感，不需要柵極電阻來阻尼震蕩，從而可提高驅(qū)動(dòng)的峰值電流，同時(shí)驅(qū)動(dòng)變壓器設(shè)計(jì)更靈活，有助于提高原副邊隔離電壓和電磁兼容性。

關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)電路；峰值電流；磁耦合

中圖分類號(hào)：TN386 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）32-0016-02

引言

在很多應(yīng)用場(chǎng)合，場(chǎng)效應(yīng)功率晶體管（MOSFET）的工作占空比需要在大范圍內(nèi)變化，比如逆變器、寬工作范圍和快響應(yīng)能力的直流變換器等，同時(shí)，很多應(yīng)用場(chǎng)合的驅(qū)動(dòng)電路要求實(shí)現(xiàn)控制和功率電路的電氣隔離。

MOSFET驅(qū)動(dòng)電路從信號(hào)隔離方式上可以分為光耦隔離、磁耦隔離和專用浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)芯片等。光電耦合隔離技術(shù)，由于普通光耦信號(hào)傳輸時(shí)間較長(zhǎng)、高速光耦抗干擾能力又較弱，所以光耦隔離難以適應(yīng)高頻功率變換的驅(qū)動(dòng)要求。磁耦隔離技術(shù)，由于耦合變壓器磁復(fù)位的要求，若功率電路工作占空比在接近0～100%變化寬范圍內(nèi)變化，傳統(tǒng)的磁耦驅(qū)動(dòng)電路元件和參數(shù)選擇困難，難以實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[1-2]介紹了將驅(qū)動(dòng)脈沖邊沿轉(zhuǎn)換為窄脈沖再磁耦合到次級(jí)，再由副邊電路進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)和還原的驅(qū)動(dòng)電路，可以適應(yīng)寬范圍的占空比變化，但存在電路復(fù)雜、損耗較大等問題。

針對(duì)高開關(guān)頻率（50kHz及以上）、寬占空比變化范圍條件下功率場(chǎng)效應(yīng)管隔離驅(qū)動(dòng)的需求研究了一種場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路，分析了其工作過程和主要參數(shù)的設(shè)計(jì)，最后給出了實(shí)驗(yàn)波形，驗(yàn)證了該驅(qū)動(dòng)電路的可行性。

1 驅(qū)動(dòng)電路原理

研究的驅(qū)動(dòng)電路基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。相比于傳統(tǒng)的磁耦隔離驅(qū)動(dòng)電路，該電路的主要改進(jìn)是增加了副邊波形還原電容和獨(dú)立浮動(dòng)供電電容。其輸出級(jí)由圖騰柱結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)快速的柵源極電容充放電。

輸入端輸入PWM波，直流分量由隔直電容C1承受，交流分量由隔離變壓器變換至變壓器副邊。C2和D2使得直流電平得以恢復(fù)。電容C3作為獨(dú)立浮動(dòng)供電為后面由NPN型和PNP型三極管構(gòu)成的圖騰柱結(jié)構(gòu)提供電流。

電容C3足夠大，其端電壓變化可以忽略，C1和C2取值合適，在每個(gè)開關(guān)周期中不計(jì)其電壓波動(dòng)。下面在上述假定條件下對(duì)電路的工作模態(tài)進(jìn)行分析。

當(dāng)輸入端為高電平，三極管Q1導(dǎo)通，電容C3部分放電，對(duì)MOSFET柵極電容CG充電，使MOSFET導(dǎo)通。傳統(tǒng)的磁耦隔離驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電流來自于變壓器原邊，其上升率受到變壓器漏感限制，而該電路由儲(chǔ)能電容C3提供驅(qū)動(dòng)能量，因此圖1電路功率管柵極電壓上升速度更快。當(dāng)儲(chǔ)能電容C3放電導(dǎo)致D1導(dǎo)通后，它又可以過C2和D1得以補(bǔ)充充電。

輸入端為低電平時(shí)D2正向?qū)ǎ琎2飽和導(dǎo)通，MOSFET柵極電容CG通過Q2泄放電流。

該電路中變壓器二次側(cè)使用由原邊供電的儲(chǔ)能電容，一方面簡(jiǎn)化了電路，另一方面避免了耦合變壓器漏感與柵極電容的諧振問題，可以采用較小的Rg，因此此驅(qū)動(dòng)電路即使開關(guān)頻率較高，也能實(shí)現(xiàn)快的上升和下降沿。同時(shí)，副邊的波形復(fù)位電容C2使得儲(chǔ)能電容C3的電壓穩(wěn)定，不受占空比變化的影響，電路可以工作于很寬范圍的占空比，而且，由于減小了對(duì)耦合變壓器漏感的限制，驅(qū)動(dòng)電路的電氣隔離能力可得以提高。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

為驗(yàn)證電路分析和設(shè)計(jì)的正確性設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)電路。實(shí)例中PWM波由數(shù)字信號(hào)處理器DSP給出，經(jīng)過信號(hào)放大電路后，驅(qū)動(dòng)電路輸入的高低電平電壓差為1.9V，信號(hào)頻率fs范圍為10kHz～100kHz，設(shè)計(jì)輸出電壓uo為4V。設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)限制電容C3的電壓紋波小于0.5V，電容C1電壓紋波折合至副邊后小于0.5V。

驅(qū)動(dòng)電路各元件選取如下：Rgs=10kΩ，R2=200Ω，Rg=20Ω，C1=1μF，C2=0.33μF，C3=10μF，T1采用外徑10mm的磁環(huán)，變比1：2.7，三極管使用2SC9013和2SC9015。

圖2為開關(guān)頻率為10、100kHz情況時(shí)輸入和輸出的PWM波形。可以看到驅(qū)動(dòng)電路輸出上升沿和下降沿很快，可以快速開通和關(guān)斷MOSFET可見該驅(qū)動(dòng)電路可以適應(yīng)高頻、寬占空比范圍的驅(qū)動(dòng)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠工作在較高的開關(guān)頻率，可以傳輸接近0～100%的占空比，并提供了完全的電氣隔離，毋需隔離驅(qū)動(dòng)電源，同時(shí)，避免了由于耦合變壓器漏感引起的驅(qū)動(dòng)振蕩和驅(qū)動(dòng)電流變化率受限問題，能實(shí)現(xiàn)快速的驅(qū)動(dòng)上升、下降沿，能實(shí)現(xiàn)更好的電氣隔離性能。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該電路具有良好的性能，能適用于高頻、寬占空比變化的隔離驅(qū)動(dòng)，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]Jose M Espi，Rafael Garcia-Gil，Jaime Castello. Isolated FET pulse driver reduces size and power consumption[J].EDN，March 30，200

6，98.

[2]Jaime Castello， Jose M Espi，Rafael Garcia-Gil.增加占空比范圍的隔離FET脈沖驅(qū)動(dòng)器[J].EDN電子設(shè)計(jì)技術(shù)，2010，9：66.endprint