功率MOSFET管驱动变压器设计

精品文档 1欢迎下载 功率功率 MOSFETMOSFET 管驱动变压器设计管驱动变压器设计 导读导读 摘要 对具有驱动变压器的功率 MOSFET 管驱动电路的动态过程进行了分析 推导了驱动变压器设计参数 绕组电流有效值 变压器功率 的计算方法 定量分 析了变压器漏感和电路杂散电感对开通过程的影响 并通过仿真和试验证了这套 计算方法的正确性 1 引言 作为开关电源的开关器件 功率 MOSFET 管具有开关速度快 工作频率高的 特点 适用于高频开关电路 此外 在并联使用时 由于 MOSFET 管具有正温度 系数 可以自动均流 无需均流电路 方便扩流 这也是目前其他功率开关器 件不可替代的优点 1 为了加速开通 减少损耗 对 MOSFET 管的驱动电路的基本要求是内阻要小 驱动电压尽量高 但不能超过栅 源击穿电压 为了加速关断 应给输入电容 提供低阻放电通道 为了抑制高频振荡 栅极引线尽量短 减少线路分布参数 为了防止静电感应导致栅极电压上升引起误导通 栅极不允许开路 大功率 MOSFET 管截止时 栅极最好施加负电压 2 MOSFET 管的驱动电路有多种形式 可以用 TTL 电平直接驱动 但更多采用 隔离驱动 在驱动信号输出端与 MOSFET 管栅极之间用光耦或磁耦实现与主电路 电隔离 驱动变压器是常用的磁耦元件 起到传输驱动信号和功率的作用 设计合 理的驱动变压器 不仅可以提高 MOSFET 管开关性能 而且体积小 重量轻 成 本低 2 MOSFET 管内部电容与变压器驱动栅极电路 2 1 内部电容 精品文档 2欢迎下载 MOSFET 管内部电容 也称极间电容 是栅极 源极 漏极之间的寄生电容 开关电源最常用 N 沟道增强型 MOSFET 管 3 内部电容分别为 栅 源极间电容 Cgs 栅 漏极间电容 Cgd 漏 源极间电容 Cds 如图 1 1 3 与漏 源短路条件下小信号输入电容 Ciss的关系 Ciss Cgs Cgd 1 与栅 源短路条件下小信号输出电容 Coss的关系 Coss Cds Cgd 2 与小信号反向转换电容 反馈电容 Crss的关系 Crss Cgd 3 驱动电路的任务就是针对 MOSFET 管开通 关断过程中的寄生电容进行充放 电 需要说明的是 内部电容并非常数 会随着开通 关断过程中极间电压的 变化而变化 使得开通 关断的动态过程比较复杂 3 但是 对于栅极驱动 主要考虑上升 下降时间内 短于整个动态过程时间 的驱动波形 可以把 Ciss看做常数进行分析 2 2 MOSFET 管变压器驱动栅极电路 精品文档 3欢迎下载 图 2 为变压器驱动栅极电路 是驱动电路的最后部分 变压器 T1 提供驱动 信号 经由保护二极管 D1 栅极串联电阻 R1 向栅极输入电容 Ciss充电 当栅 源极间电压 Vgs大于门限开启电压 VTh MOSFET 管导通 进而进入饱和区 完成 开通过程 当变压器驱动信号低电平时 三极管 Q1 导通 栅极电容的电荷迅速 通过 R1 Q1 构成的闭合回路释放 达到快速关断的目的 电阻 R3 防止栅极开 路 稳压管 D2 限制信号幅度不能超过栅 源击穿电压 起到保护作用 3 变压器设计与试验 为了简化计算 将变压器视为方波脉冲电压源 MOSFET 管开通过程的等效 电路如图 3 开通过程就是零状态响应过程 三要素 4 5 初始值 uciss 0 0 4 由于 R3 R1 稳态值 5 式中 U1 变压器输出电压 V 精品文档 4欢迎下载 时间常数 R1 R2 Ciss R1Ciss 6 暂态过程 栅极电压 7 栅极电流 8 栅极电阻 R3 电流 i1 t 0 9 栅极串联电阻 R1 电流 10 电路瞬时功率 11 上升时间 tr 2 2 2 2R1Ciss 12 忽略三极管 Q1饱和导通管压降 0 2V MOSFET 管关断过程的等效电路如图 4 精品文档 5欢迎下载 关断过程即可看作零输入响应过程 栅极电压 U1 主要元件依然是 R1 Ciss 由于 R3 R1 忽略电阻 R3 基本是开通的逆过程 因此 变压器输 出电流有效值 4 13 式中 I 变压器输出电流有效值 A f 驱动信号频率 Hz 变压器功率 14 通过分析 由式 12 可知 减少上升时间 tr的办法是减少 R1 但式 13 14 表明 代价是增大了输出电流有效值和变压器功率 提高频率和驱动电压 将导致电流有效值和变压器功率增加 线路分布参数包括变压器漏感 内阻 r 以及导线引起的寄生电感等 随 着工作频率提高 分布参数影响逐渐明显 相对于内阻 r 分布电感对动特性 影响更为显著 考虑变压器漏感和线路杂散电感 Ls 后 MOSFET 管开通过程的等 效电路如图 5 忽略电阻 R3 系统时域方程 15 精品文档 6欢迎下载 传递函数 16 特征方程 LsCiss S 2 R1Ciss s 1 0 17 特征方程根 极点 18 由式 18 对于阶跃输入 5 1 时 系统临界振荡 此时 19 2 时 系统振荡收敛 此时 20 此时 自然频率 无阻尼震荡频率 21 阻尼比 22 阻尼角 23 24 3 时 系统不振荡 此时 25 精品文档 7欢迎下载 理想情况下 Ls 0 系统即退化成图 3 所示的一阶系统 试验 要求设计驱动变压器 变比 1 1 驱动电压 12V 开关频率 30kHz MOSFET 管型号 IXTK15P 参数 trr 150ns Ciss 7000pF Qg 240nC 3 只并联使用 此时 Ciss 21000pF 栅极电路如图 2 电路开通动态分析 由式 6 时间常数 R1Ciss 10 21000 10 12 2 1 10 7s 由式 7 栅极电压 由式 10 栅极串联电阻 R1 电流 由式 11 电路瞬时功率 由式 12 上升时间 tr 2 2 4 62 10 7s 开通瞬态过程 0 1 s 仿真结果如图 6 精品文档 8欢迎下载 驱动变压器设计参数 由式 13 变压器输出电流有效值 由式 14 变压器功率 P I U1 0 095 12 1 14W 由式 19 系统临界振荡的变压器漏感 Ls 0 25CissR12 0 25 21000 10 12 102 5 25 10 7H 0 525 H 为了说明变压器漏感和线路杂散电感 Ls 对驱动的动态过程的影响 针对本 设计 根据式 21 24 对不同 Ls 值进行开通过程 0 5 s 仿真 结果如图 7 精品文档 9欢迎下载 当变压器漏感以及分布电感 Ls 超过临界值 如 0 525 H 时 系统振荡 如果 Ls 过大 如 4 H 一方面会使得上升时间延迟 另一方面 栅 源极间 电压超调量过大 可能将会引起 MOSFET 管开通过程不稳定 甚至危及管子安全 因此 期望 Ls 小些好 所以 尽量减少变压器漏感和引线长度 驱动变压器功率 电流都很小 在工程设计中 考虑留下余量 应该取大 一些磁芯 这样做的另一个好处是 减少了变压器匝数 减少漏感量 为了进 一步减少漏感 初 次级绕组导线并行绕制 此外 考虑到初次级会产生很高 的电位差 应保证初次级绕组导线足够的绝缘强度 设计的驱动变压器 磁芯 PC44 EPC13 初级匝数 26 次级匝数 26 磁感 应强度 0 25T 漏感 0 55 H 外形尺寸 20 4 13 3 7 实验表明 驱动变压器工作稳定可靠 损耗低 驱动波形上升沿 下降沿 陡峭 无过冲现象 与仿真结果接近 满足设计要求 驱动变压器输出驱动波 形如图 8 精品文档 10欢迎下载 4 结论 1 驱动电路的任务就是针对 MOSFET 管开通 关断过程中的寄生电容进行充 放电 驱动变压器是常用的磁耦元件 起到传输驱动信号和功率的作用 2 为了加速开通 减少损耗 对驱动电路的基本要求是内阻要小 但代价 是增大了驱动变压器输出电流和功率 3 驱动变压器输出电流和功率还与开关频率和驱动电压有关 并随着频率 提高或电压提高而增大 4 为了驱动过程快速 稳定 安全可靠 抑制高频振荡 尽量减少变压器 漏感和引线长度 参考文献 1 张占松 开关电源的原理与设计 M 北京 电子工业出版社 2004 82 84 2 丁道宏 电力电子技术 M 北京 航空工业出版社 1999 280 3 Muhammad H Rashid 电力电