功率場效應管驅動電路的研究.

1、功率場效應管驅動電路的研究原載：電氣開關2002 年 NO.2劉星平(湖南工程學院,湖南 長沙 411101)摘要：探討了功率場效用管(MO SFET )的柵極驅動問題，總結了三種在實際中很有應用價值的柵極驅動電路。關鍵詞：功率場效應管；柵極驅動中圖分類號：TN 386文獻標識碼: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前言功率場控制器件泛指一切用電壓信號控制工作電流的電力電子器件。這類器件的基本特點是輸入阻抗極高，因而所需驅動功率很小，而且大多數(shù)器件在控制信號撤除之后即會自行關 斷，是一種高性能的自關斷

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特之處。 在電力電子電路中充分利用和發(fā)揮這些特長,可把電力電子技術推入一個新的階段。功率MOSFET 在線性放大和功率開關等方面的應用正在向深度和廣度迅速發(fā)展，各種新穎電路不斷問世。這里僅就柵極驅動方面的問題進行探討。2關于驅動電路的有關問題MO SFET 管工作在高頻時，為了防止振蕩，有兩點必須注意：第一，盡可能減少 MOSFET 各端點的連接線長度，特別是柵極引線，如果無法使引線縮短，則可按圖 1 所示, 靠近柵極處串聯(lián)一個小電阻以便控制寄生振蕩；第二，由于 MO SFET 的輸入阻抗高，驅動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 的驅動波形的上升和下降時間與驅動脈沖發(fā)生器阻抗有關。另外,MO SFET 的柵一源極間的硅氧化層的耐壓是有限的，如果實際的電壓數(shù)值超過元件的額定值，則就會被擊穿，產(chǎn)生永久性的損壞。實際的柵一源電壓最大值在 2030V 之間。值得指出的是，即使實際電壓為20V ,仍然要細致分析一下是否會出現(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 驅動功率場效應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 鞭動功率場效應管的電路圖3 實用的驅動電路3. 1 直接驅動式比較簡單又比較可靠的驅動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通，并保證較高的關斷速度。由于外接負載電阻 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，因而這種驅動方式的開通速度不夠高。不過，對感性負載的開關電路來說，出于對動態(tài)損耗的考慮，關斷速度 的重要性就是要強一些。圖 3 所示的兩種 TTL 驅動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)所示的驅動方式是對 簡易方式的一種初步改進，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)所示的驅動方式可進一步改善驅動性能，不但關斷時間可以進一步縮短，開通時間與關斷時間的差別也通過互補電路而消除。同時，在這種驅動方式中的兩個外接晶體管起著射極跟隨器的作用，因而功率 MO SFET 永遠不會被驅動到飽和區(qū)。由于互補方式增加了驅 動功率，這種方式更適合于大功率MO SFET 的驅動。圖 3 用 TTL 驅動功率場效應管的兩種改進電路圖圖 4 用 CMOS 驅動功率場效應管的電路圖 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 傳輸門驅動由于 MO SFET 有很高的輸入阻抗，所以可考慮用 CMO S 電路直接驅動其柵極，如圖 4 所 示。直接使用 CMOS 驅動功率 MOSFET 的優(yōu)點是兩者都可以用 1015V 電源供電。為了 保證功率 MOSFET在傳導逐漸上升的連續(xù)電流時工作在線性區(qū)，至少要使其柵壓超過 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，因而對功率 MO SFET 的開關速度有所影響。雖然CMO S 緩沖器接受功率 MO SFET 柵極放電電流的能力比標準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 驅動功率 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 藕合驅動式在某些情況下可以用脈沖變壓器來驅動功率MO SFET 的柵極，脈沖變壓器可以提供必要的隔離。圖 4 (a)所示電路是這種驅動方式中最簡單的一例。此電路中的二極管起限制驅動晶體管上的反饋電壓的作用，

9、升壓比為 1: 1 的脈沖變壓器用來向功率MO SFET 提供足夠高的驅動電壓。由于變壓器次級在圖 6 避免 Im 隨脈寬變化的變壓器柵極驅動電路開和關兩 種狀態(tài)中的電壓與持續(xù)時間的乘積必須大小相等，因而驅動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動力式的潛在問題。圖4 (b)是對這個問題的一個形象反映，當占空比從 1?10 增加到 1?3 時，U gs 的幅值從 13. 5V 下降到 10V。對 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腮動吠陽場效應件的兩種改蓬電路圖圖ftl CMOS動功牽場效應轉前電窮圖 6 避免 hi 範肚竜變化的變壓器期極羽動電賂但圖 4 所示的簡易脈沖變壓器驅動方式還有一個缺點，就是對脈沖的寬度有較大限制。如果脈沖過寬，磁飽和效應可能使原邊繞組的電流猛然上升，最終令其燒毀。這種情況對容量較小的脈沖變壓器尤其容易發(fā)生。脈沖過窄主要有兩個問題。一個問題是脈沖間隔太長時變壓器漏感對充電電流的限制可能很大；另一個問題是磁化電流為驅動柵極關斷所存貯的能量可能不夠，因為脈沖過窄時，1m 不能充分上升。這第二個問題可以用圖5 所示的