功率场效应管驱动电路的研究

1、功率场效应管驱动电路的研究原载：电气开关2002年NO.2刘星平(湖南工程学院, 湖南长沙411101)摘要: 探讨了功率场效用管(MO SFET ) 的栅极驱动问题, 总结了三种在实际中很有应用价值的栅极驱动电路。关键词: 功率场效应管; 栅极驱动中图分类号: TN 386文献标识码:BInvest igat ion on Pow erMO SFFT s Gate D r iving Circu itL IU X ing - p ing(Hunan In st itu te of Engineering, Xiangtan Hunan 411101 Ch ina)A b st ract: T

2、h is paper invest igates the quest ion on gate driving of pow er MO SFET , summ arizes th reespecies gate driving circu it s,w h ich are valuab le in p ract ice.Key wo rds: pow erMO SFET; gate driving1前言功率场控制器件泛指一切用电压信号控制工作电流的电力电子器件。这类器件的基本特点是输入阻抗极高, 因而所需驱动功率很小, 而且大多数器件在控制信号撤除之后即会自行关断, 是一种高性能的自关断器件。

3、与各种双极型电力电子器件相比, 功率MOSFET 从原理到性能都有很多独特之处。在电力电子电路中充分利用和发挥这些特长, 可把电力电子技术推入一个新的阶段。功率MOSFET 在线性放大和功率开关等方面的应用正在向深度和广度迅速发展, 各种新颖电路不断问世。这里仅就栅极驱动方面的问题进行探讨。2关于驱动电路的有关问题MO SFET 管工作在高频时, 为了防止振荡, 有两点必须注意: 第一, 尽可能减少MOSFET 各端点的连接线长度, 特别是栅极引线, 如果无法使引线缩短, 则可按图1 所示, 靠近栅极处串联一个小电阻以便控制寄生振荡; 第二, 由于MO SFET 的输入阻抗高, 驱动电源的阻抗

4、必须比较低, 以避免正反馈所引起的振荡,特别是MO SFET 的直流输入阻抗非常高, 但它的交流输入阻抗是随频率而改变的, 因此MO SFET 的驱动波形的上升和下降时间与驱动脉冲发生器阻抗有关。另外,MO SFET 的栅源极间的硅氧化层的耐压是有限的, 如果实际的电压数值超过元件的额定值, 则就会被击穿, 产生永久性的损坏。实际的栅源电压最大值在20 30V 之间。值得指出的是, 即使实际电压为20V , 仍然要细致分析一下是否会出现由于寄生电感引起的电压快速上升的尖峰, 引起击穿MOSFET的硅氧化层问题。图1MO SFET 工作在共源极的电路图图2用TTL 驱动功率场效应管的电路图图片附

5、件: 图1和图2 fig1-2.JPG (2006-3-14 13:24, 17.35 K)3实用的驱动电路3. 1直接驱动式比较简单又比较可靠的驱动方式是使用集电极开路的TTL 按图2 所示与功率MO SFET 连接。这种方式可以产生足够高的栅压使器件充分导通, 并保证较高的关断速度。由于外接负载电阻RL 须有一定大小,以限制TTL 的低电平输出晶体管的功率耗散, 因而这种驱动方式的开通速度不够高。不过, 对感性负载的开关电路来说, 出于对动态损耗的考虑, 关断速度的重要性就是要强一些。图3 所示的两种TTL 驱动方式也是使用集电极开路的TTL , 但在TTL 与功率MO SFET 之间加了

6、附属电路。图3 (a) 所示的驱动方式是对简易方式的一种初步改进, 它不但能降低TTL 器件的功率耗散, 也能保证较高的开通速度。图3 (b) 所示的驱动方式可进一步改善驱动性能, 不但关断时间可以进一步缩短, 开通时间与关断时间的差别也通过互补电路而消除。同时,在这种驱动方式中的两个外接晶体管起着射极跟随器的作用, 因而功率MO SFET 永远不会被驱动到饱和区。由于互补方式增加了驱动功率, 这种方式更适合于大功率MO SFET 的驱动。图3用TTL 驱动功率场效应管的两种改进电路图图4用CMO S 驱动功率场效应管的电路图图片附件: 图3和图4 fig3-4.JPG (2006-3-14

7、13:24, 28.28 K)3. 2用CMO S 传输门驱动由于MO SFET 有很高的输入阻抗, 所以可考虑用CMO S 电路直接驱动其栅极, 如图4 所示。直接使用CMOS 驱动功率MOSFET 的优点是两者都可以用10 15V 电源供电。为了保证功率MOSFET 在传导逐渐上升的连续电流时工作在线性区, 至少要使其栅压超过10V。CMOS 也可用10 15V 电源供电, 这就可以直接将CMOS 与功率MOSFET 相接而不用任何附加电路, 也不需要连外接电阻。但是, 由于CMOS 能够提供的充电电流和能够接受的放电电流都很有限, 因而对功率MO SFET 的开关速度有所影响。虽然CMO

8、 S 缓冲器接受功率MO SFET 栅极放电电流的能力比标准CMOS 栅极高很多, 但是提供充电电流的能力基本上还是一样。因此, 跟使用集电极开路的TTL 驱动功率MO SFET 的情况类似, 也可在MO SFET 与功率MO SFET 之间加图3 所示的界面电路, 唯一的差别是不再需要外接电阻R。3. 3藕合驱动式在某些情况下可以用脉冲变压器来驱动功率MO SFET 的栅极, 脉冲变压器可以提供必要的隔离。图4 (a) 所示电路是这种驱动方式中最简单的一例。此电路中的二极管起限制驱动晶体管上的反馈电压的作用, 升压比为1: 1 的脉冲变压器用来向功率MO SFET 提供足够高的驱动电压。由于

9、变压器次级在图6避免Im 随脉宽变化的变压器栅极驱动电路开和关两种状态中的电压与持续时间的乘积必须大小相等, 因而驱动脉冲的占空比变化必须引起栅源电压U gs的变化。这是脉冲变压器栅极驱动力式的潜在问题。图4 (b) 是对这个问题的一个形象反映, 当占空比从1ö10 增加到1ö3 时, U gs 的幅值从13. 5V 下降到10V。对于给定的15V 原边电压,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线性区的程度。当然, 增加原边电压可以提高最大的用占空比。图片附件: 图5和图6 fig5-6.JPG (2006-3-14 13:25, 19.94 K)但图4 所示的简易脉冲变压器驱动方式还有一个缺点, 就是对脉冲的宽度有较大限制。如果脉冲过宽,磁饱和效应可能使原边绕组的电流猛然上升, 最终令其烧毁。这种情况对容量较小的脉冲变压器尤其容易发生。脉冲过窄主要有两个问题。一个问题是脉冲间隔太长时, 变压器漏感对充电电流的限制可能很大; 另一个问题是磁化电流为驱动栅极关断所存贮的能量可能不够, 因为脉冲过窄时, Im 不能充分上升。这第二个问题可以用图5 所示的电路