功率場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路的研究.

1、功率場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路的研究原載：電氣開關(guān)2002 年 NO.2劉星平(湖南工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 411101)摘要：探討了功率場(chǎng)效用管(MO SFET )的柵極驅(qū)動(dòng)問題，總結(jié)了三種在實(shí)際中很有應(yīng)用價(jià)值的柵極驅(qū)動(dòng)電路。關(guān)鍵詞：功率場(chǎng)效應(yīng)管；柵極驅(qū)動(dòng)中圖分類號(hào)：TN 386文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:BIn vest igat ion on Pow erMO SFFT s Gate D r ivi ng Circu itL IU X ing - p ing(Hunan In st itu te of Engin eeri ng, Xia ngta n Hunan 411101 Ch ina)A b st ract

2、: Th is paper in vest igates the quest ion on gate driv ing of pow er MO SFET ,summ arizes th reespecies gate drivi ng circu it s,w h ich are valuab le in p ract ice.Key wo rds: pow erMO SFET; gate driving1前言功率場(chǎng)控制器件泛指一切用電壓信號(hào)控制工作電流的電力電子器件。這類器件的基本特點(diǎn)是輸入阻抗極高，因而所需驅(qū)動(dòng)功率很小，而且大多數(shù)器件在控制信號(hào)撤除之后即會(huì)自行關(guān) 斷，是一種高性能的自關(guān)斷

3、器件。與各種雙極型電力電子器件相比，功率 MOSFET 從原理到性能都有很多獨(dú)特之處。 在電力電子電路中充分利用和發(fā)揮這些特長(zhǎng),可把電力電子技術(shù)推入一個(gè)新的階段。功率MOSFET 在線性放大和功率開關(guān)等方面的應(yīng)用正在向深度和廣度迅速發(fā)展，各種新穎電路不斷問世。這里僅就柵極驅(qū)動(dòng)方面的問題進(jìn)行探討。2關(guān)于驅(qū)動(dòng)電路的有關(guān)問題MO SFET 管工作在高頻時(shí)，為了防止振蕩，有兩點(diǎn)必須注意：第一，盡可能減少 MOSFET 各端點(diǎn)的連接線長(zhǎng)度，特別是柵極引線，如果無(wú)法使引線縮短，則可按圖 1 所示, 靠近柵極處串聯(lián)一個(gè)小電阻以便控制寄生振蕩；第二，由于 MO SFET 的輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)電源的阻抗必須比較低

4、,以避免正反饋所引起的振蕩，特別是 MO SFET 的直流輸入阻抗非常高，但它的交流輸入阻抗是隨頻率而改變的，因此 MO SFET 的驅(qū)動(dòng)波形的上升和下降時(shí)間與驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器阻抗有關(guān)。另外,MO SFET 的柵一源極間的硅氧化層的耐壓是有限的，如果實(shí)際的電壓數(shù)值超過(guò)元件的額定值，則就會(huì)被擊穿，產(chǎn)生永久性的損壞。實(shí)際的柵一源電壓最大值在 2030V 之間。值得指出的是，即使實(shí)際電壓為20V ,仍然要細(xì)致分析一下是否會(huì)出現(xiàn)由于寄生電感引起的電壓快速上升的尖峰，引起擊穿 MOSFET 的硅氧化層問題。圖 1 MO SFET 工作在共源極的電路圖圖 2 用 TTL 驅(qū)動(dòng)功率場(chǎng)效應(yīng)管的電路圖圖片附件:圖

5、 1 和圖 2 fig1-2.JPG (2006-3-14 13:24, 17.35 K)圖 2 用 TIL 鞭動(dòng)功率場(chǎng)效應(yīng)管的電路圖3 實(shí)用的驅(qū)動(dòng)電路3. 1 直接驅(qū)動(dòng)式比較簡(jiǎn)單又比較可靠的驅(qū)動(dòng)方式是使用集電極開路的TTL 按圖 2 所示與功率 MO SFET 連接。這種方式可以產(chǎn)生足夠高的柵壓使器件充分導(dǎo)通，并保證較高的關(guān)斷速度。由于外接負(fù)載電阻 RL 須有一定大小，以限制 TTL 的低電平輸出晶體管的功率耗散，因而這種驅(qū)動(dòng)方式的開通速度不夠高。不過(guò)，對(duì)感性負(fù)載的開關(guān)電路來(lái)說(shuō)，出于對(duì)動(dòng)態(tài)損耗的考慮，關(guān)斷速度 的重要性就是要強(qiáng)一些。圖 3 所示的兩種 TTL 驅(qū)動(dòng)方式也是使用集電極開路的 T

6、TL，但在 TTL 與功率 MO SFET 之間加了附屬電路。圖 3 (a)所示的驅(qū)動(dòng)方式是對(duì) 簡(jiǎn)易方式的一種初步改進(jìn)，它不但能降低 TTL 器件的功率耗散，也能保證較高的開通速度。圖 3 (b)所示的驅(qū)動(dòng)方式可進(jìn)一步改善驅(qū)動(dòng)性能，不但關(guān)斷時(shí)間可以進(jìn)一步縮短，開通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間的差別也通過(guò)互補(bǔ)電路而消除。同時(shí)，在這種驅(qū)動(dòng)方式中的兩個(gè)外接晶體管起著射極跟隨器的作用，因而功率 MO SFET 永遠(yuǎn)不會(huì)被驅(qū)動(dòng)到飽和區(qū)。由于互補(bǔ)方式增加了驅(qū) 動(dòng)功率，這種方式更適合于大功率MO SFET 的驅(qū)動(dòng)。圖 3 用 TTL 驅(qū)動(dòng)功率場(chǎng)效應(yīng)管的兩種改進(jìn)電路圖圖 4 用 CMOS 驅(qū)動(dòng)功率場(chǎng)效應(yīng)管的電路圖 刃圖片附

7、件:圖 3 和圖 4 fig3-4.JPG (2006-3-14 13:24,28.28 K)3. 2 用 CMO S 傳輸門驅(qū)動(dòng)由于 MO SFET 有很高的輸入阻抗，所以可考慮用 CMO S 電路直接驅(qū)動(dòng)其柵極，如圖 4 所 示。直接使用 CMOS 驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 的優(yōu)點(diǎn)是兩者都可以用 1015V 電源供電。為了 保證功率 MOSFET在傳導(dǎo)逐漸上升的連續(xù)電流時(shí)工作在線性區(qū)，至少要使其柵壓超過(guò) 10V。CMOS 也可用 1015V 電源供電，這就可以直接將 CMOS 與功率 MOSFET 相接而不用任 何附加電路，也不需要連外接電阻。但是，由于 CMOS 能夠提供的充電電流和能夠接

8、受的放 電電流都很有限，因而對(duì)功率 MO SFET 的開關(guān)速度有所影響。雖然CMO S 緩沖器接受功率 MO SFET 柵極放電電流的能力比標(biāo)準(zhǔn)CMOS 柵極高很多，但是提供充電電流的能力基本上還是一樣。因此，跟使用集電極開路的TTL 驅(qū)動(dòng)功率 MO SFET 的情況類似，也可在MO SFET 與功率 MO SFET 之間加圖 3 所示的界面電路，唯一的差別是不再需要外接電阻 R。3. 3 藕合驅(qū)動(dòng)式在某些情況下可以用脈沖變壓器來(lái)驅(qū)動(dòng)功率MO SFET 的柵極，脈沖變壓器可以提供必要的隔離。圖 4 (a)所示電路是這種驅(qū)動(dòng)方式中最簡(jiǎn)單的一例。此電路中的二極管起限制驅(qū)動(dòng)晶體管上的反饋電壓的作用，

9、升壓比為 1: 1 的脈沖變壓器用來(lái)向功率MO SFET 提供足夠高的驅(qū)動(dòng)電壓。由于變壓器次級(jí)在圖 6 避免 Im 隨脈寬變化的變壓器柵極驅(qū)動(dòng)電路開和關(guān)兩 種狀態(tài)中的電壓與持續(xù)時(shí)間的乘積必須大小相等，因而驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比變化必須引起柵源電壓 U gs 的變化。這是脈沖變壓器柵極驅(qū)動(dòng)力式的潛在問題。圖4 (b)是對(duì)這個(gè)問題的一個(gè)形象反映，當(dāng)占空比從 1?10 增加到 1?3 時(shí)，U gs 的幅值從 13. 5V 下降到 10V。對(duì) 于給定的15V 原邊電壓,U gb 完全有可能下降到 10V 以下甚至低到不能使器件工作于線性 區(qū)的程度。當(dāng)然，增加原邊電壓可以提高最大的用占空比。圖片附件:圖 5

10、和圖 6 fig5-6.JPG (2006-3-14 13:25, 19.94 K)圏3 ffl TTL腮動(dòng)吠陽(yáng)場(chǎng)效應(yīng)件的兩種改蓬電路圖圖ftl CMOS動(dòng)功牽場(chǎng)效應(yīng)轉(zhuǎn)前電窮圖 6 避免 hi 範(fàn)肚竜變化的變壓器期極羽動(dòng)電賂但圖 4 所示的簡(jiǎn)易脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)方式還有一個(gè)缺點(diǎn)，就是對(duì)脈沖的寬度有較大限制。如果脈沖過(guò)寬，磁飽和效應(yīng)可能使原邊繞組的電流猛然上升，最終令其燒毀。這種情況對(duì)容量較小的脈沖變壓器尤其容易發(fā)生。脈沖過(guò)窄主要有兩個(gè)問題。一個(gè)問題是脈沖間隔太長(zhǎng)時(shí)變壓器漏感對(duì)充電電流的限制可能很大；另一個(gè)問題是磁化電流為驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O關(guān)斷所存貯的能量可能不夠，因?yàn)槊}沖過(guò)窄時(shí)，1m 不能充分上升。這第二個(gè)問題可以用圖5 所示的