功率MOSFET管驱动变压器设计

1、功率MOSFE管驱动变压器设计导读摘要：对具有驱动变压器的功率MOSFE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

2、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截止时，栅极最好施加负电压2。MOSFET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开关性能，而且体积小、重量轻，成本低。2MOSFE1I内部电容与变压器驱动栅极电路2.1 内部电容MOSFET内部电容，也称极问电

3、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MOSFET3,内部电容分别为：栅-源极间电容Cgs,栅-漏极间电容Gd,漏-源极问电容Cs,如图11,3。D与漏-源短路条件下小信号输入电容Css的关系:Ciss-Cg与栅-源短路条件下小信号输出电容Coss-Cds与小信号反向转换电容（反馈电容）s+Cgd(1G)ss的关系：+Cgd(2Css的关系：gd(3驱动电路的任务就是针对MOSFET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

4、时间内（短于整个动态过程时间）的驱动波形，可以把Qs看做常数进行分析。2.2 MOSFETT变压器驱动栅极电路图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Qs充电，当栅-源极间电压Vgs大于门限开启电压VTh,MOSFET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VPUSEIIsI图2受压tl驱幼极机II3变压器设计与试验为了简化计

5、算，将变压器视为方波脉冲电压源，MOSFElt开通过程的等效电路如图33，口SFET开通过程的雄电II暂态过程:栅极电压:(7)肘4iJQOOff开通过程就是零状态响应过程，三要素4,5(4)(5)式中，U一变压器输出电压,V(6)T和(8)由于R3>>Ri电阻R3电流：i1(t)=0(9)能rR1电流：初始值ucss(0)0时间常数T=(R1/R2)CsRiCss(10)2)4。图4MOSFE关防过程的等效电事电路瞬时功率：1(11上升时间：tr=2.2=2.2RiCiss(1忽略三极管Q饱和导通管压降0.2V,MOSFET关断过程的等效电路如图关断过程即可看作零输入响应过程，栅

6、极电压U,主要元件依然是R,Css(由于R>>R,忽略电阻R),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一驱动信号频率，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R,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开通过程的等效电路如

7、图5(忽略电阻R3)。附5有虚变压!J后MOSE开通过况的敦电族由式(18),对于阶跃输入5pCiwllooopF系统时域方程:(17)(15)LsCiss-S?2+R1Ciss-s+1=0(18)时，系统临界振荡。此时,EM”(19)2)(20)此时，自然频率(无阻尼震荡频率)：阻尼比:(21)(22)(23)(16)1)iJ】中町(24)'>0,3)AC.时，系统不振荡。此时，3血用(25)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型号IXTK15P,参数：trr=150ns;C

8、iss=7000pF;Qg=240nC3只并联使用，此时，Ciss=21000pFo栅极电路如图2。电路开通动态分析：由式(6),时间常数p=R1Ciss=10X21000X10-12=2.1x10-7s；由式(7),栅极电压：l-e*&】冲由式(10),栅极串联电阻R1电流:，力尸由式(11),电路瞬时功率：小卜见才:14博及由式(12),上升时间：tr=2.2T=4.62X10-7s开通瞬态过程(01ps)仿真结果如图6: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=IU1=0.095X12=1.14W由式(19),系统临界振荡的变压器漏感：

9、Ls=0.25CissR2=0.25乂21000X10-12X102=5.25乂10-7H=0.525H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(05ps)仿真，结果如图7S7对不同4值井通过程进行访瓦的缙果当变压器漏感以及分布电感Ls超过临界值（如0.525pH）时，系统振荡。如果Ls过大（如4pH）,一方面会使得上升时间延迟，另一方面，栅-源极问电压超调量过大，可能将会引起MOSFET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

10、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。止匕外，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PC44EPC13初级匝数26,次级匝数26,磁感应强度0.25T,漏感0.55仙H,外形尺寸20.4乂13.3X7。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。lisazuaCM1CM2May一-一图8型动变压H看出整就披形4结论1）驱动电路的任务就是针对MOSFET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