功率MOSFET高速驱动电路的研究

电力电子

第3 5卷第 6期20 0 1年 1月 2

电力电子技术P E| to i o憎 e rnc c s,

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功率 MO F T高速驱动电路的研究 SE鲁莉容，李晓帆，蒋(中科技大学，武汉华

平

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摘要：基于特定情况下对驱动电路特殊的要求，介绍了一种输出电流大、带负载能力强的 MO F T高速驱动 SE电路。对电路的工作特性进行了详细的讨论，并给出了不同频率下该电路的实验结果。 关键词：驱动电路/功率场效应晶体管：带负载能力中圉分类号： N3 6 T 8文献标识码： A文章编号：0 0—10 (0 1 0 0 4—0 10 0 X 20 )6— 0 5 3

R s rhO uc l rv g i ut f o e S E ee c lQ i yD ii r i o w r a l k n C c P MO F TL L -o g U i n,LIXi -a,JANG ig r a fn I o Pnc a h n nvr i S i c n e n l y.Wua 4 0 7,C ia) Hu z o g U ie t o c ne d T c o g s y f, e a h o hn 3 0 4 hnAl r c: q k y d i ig c c i o￣la t A c l rvn i u t fMOS ET i n r d c dI r F sito u e Ome t 0 e me s r q i me t f rvn i u t I e ur e n so d i g c c i t i r s

o tp tⅡT n n be t a e ah a yl a .Th a e ic s e ep ro n eo ecr u t n d t i a d t e u u a e t sNg a d i i a l h v e v d i ts o o ep p rdsu sst e f ma c ft c i i ea l n h h h i e p r n e u sa ifr n e u n e r i e x ei me tr s h t fee t r q e c sa eg v n d f Ke wo￣: rvn r u t o r MOS T;a dt ol a y r d i g d c￣;p we i FE b[ t d y o

1引

言

2功率 MO F T驱动特性分析 SE功率 MO F T是电压型驱动器件 .有少数 SE没载流子的存贮效应，输入阻抗高，因而开关速度可以

很高，动功率小，驱电路简单。但功率 MO F T的 SE

随着电力半导体器件的发展 .已经出现了各种各样的全控型器件，常用的有适用于大功率场合最的大功率晶体管 ( T、用于中小功率场合但快 G R)适

速性较好的功率场效应晶体管 ( S E以及结 MO F T)合 G R和功率 MOS E而产生的功率绝缘栅控 T FT双极晶体管 (G T)l IB _。 1

极间电容较大，等效电路如图 l示 _,其所 1输入电容]C输出电容 C 和反馈电容 C与极间电容的关系可表示为 l l:C| CG+ C∞ 塾= s C= CD+ C∞ s C= CG D

在这些开关器件中.率 MOS E由于开关功 FT速度快、驱动功率小、易并联等优点成为开关电源中最常用的器件。尤其在为计算机、换机、交网络服务器等通信电子设备提供能量的低压大电流开关电源中，由于其特殊要求，通常希望功率开关器件具有导

() 1() 2

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通电流大、态电阻低等特点，通而对器件能承受的关断电压要求并不高。这样一些器件已经陆续出现，如富士公司的 2 K 6 0 6 v/ 0 .n) I公司 S 2 9 ( 0 8 A 7 5,R的 I F 8 2( O 1 A 5 q) R B 3 0 3 V/ R 7 2 3 V/ 8 m,,I F L 7 3( 0—

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20 2 5 6A .m0)以这些器件为基础设计的低压大等，电流开关电源可以做到高效率低损耗 .果要将其如体积做得尽可能小，关键在于开关频率。文中就则设计低压大电流开关电源中碰到的高频开关信号的驱动作了讨论 .绍了一种非常适台于高频且带负介载能力极强的驱动电路。收稿日期：0 1 6 7 2 0—0—2定稿日期：0 1 8 2 2 0—0— 6作者简介：鲁莉客 ( 98一)女，北天门人 . 17 .湖嘎士研完 生，主要从事电力电子技术方面的研究。

图 I功率 MO F T极间电容的等效电路 SE

图 2理想栅极驱动电路的等效电路

功率 MO F T的栅极输入端相当于一个容性 SE网络，它的工作速度与驱动源内阻抗有关。理想的栅极驱动电路的等效电路如图 2所示[ . 1由于 C 1 h

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电力电子

第3 5卷第 6期20 0 1年 l 2月

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存在，态时栅极驱动电流几乎为零，静但在开通和关断动态过程中，仍需要一定的驱动电流。假定开关

由式 ()以看出，关管上升延时时间 t与 6可开 dC VG成正比， s与成反比，然 C显与 G由 S于功率 MO F T的特性而固定不变，想驱动速 SE要度提高，唯一可行的方法是增大 1 M因此只有自行 0,设计输出电流较大的驱动电路。 基于以上对功率 MO F T输入、出特性的 SE输分析 .高速驱动输入电容为55 p为 2 0 F的功率 MO F T设计了如图 4所示的图腾柱式驱动电 SE

管饱和导通需要的栅极电压值为 V∞.图 3功率如MOS E F T开关过程中的电压波形图所示，开关管的开通时间 f括开通延迟时间 t包和上升时间 t两 部分，上升延时时间可用式 ( )出： 4得

￡ c R ll垦} d 。一量= nc nC= C+ (一A ) 1 Cd式中‘——与△Vr/ VG有关的增益因子 4,A s s

( 4 )() 5

在上升时间 t期间， 输入电容可表示为一：

路。当输入 v为高电平时， T截止， 饱和导 V v通， VM2断， M1通，出高电平；之.输关 V导输反当入 V为低电平时， 饱和导通， T_止， v v截 VM关断， M2 V导通，出低电平。输

式() R。 4中。=电流，代人式 ( ) 4可得：

, 0为驱动电路输出最大，M

I ) n ( -

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开关管关断过程中~通过 R C放电， 由 R c L充电， c蝴为 VD()函数， V st较低时 . St的在 D( ) c较大， st上升较慢， VD( )随着 VD( ) S t的升高 c迅速减小至接近于零时， st再迅速上升【 VD()。

0

图 4两速大电漉驱动电路

为了保证驱动电路的输出电流足够大，带负即载能力足够强，电路中采用了 V (R 9 3 ) M, IF 50和VM I F 3 )成的推挽放大电路。同时由于 (R 5 0构图 3功率 MOS E F T的开

关过程电压的波形图

I F 3和 I F 5 0也是功率 MO F T,以也应 R 50 R 93 SE所

根据以上对功率 MOS E F T特性的分析，其驱动通常要求：触发脉冲要具有足够快的上升和下降①速度；开通时以低电阻为栅极电容充电.②关断时为栅极提供低电阻放电回路，以提高功率 MO F T SE 的开关速度；③为了使功率 MOS E可靠触发导 FT

考虑其驱动电路，了使输出驱动波形具有陡峭的为上升沿和下降沿， M和 V V M2的开通关断时闻应尽可能短。它们的驱动电路如图 4所示，保证为 VM1 VM2和开通、关断时间短，必须使它们有快速充电回路 ( I F 3对 R 5 0开通， I F 5 0关断 )快对 R 93或

通，触发脉冲电压应高于管子的开启电压，为了防止误导通，其截止时应提供负的栅源电压；功率开在④关管开关时所需驱动电流为栅极电容的充放电电流，率管极间电容越大，需电流越大，带负载功所即能力越大。

速放电回路 ( I 93对 RF 50开通， IF 3断 ) 对 R 50关 J当输入 v由低变高时， 2 vT快速饱和导通，同时 V退饱和关断，时 V和 V T1此 M, M2的栅极分别

通过由、 1 v 2组成的回路和由 VD 5 VD及 T”R、 VD、 组成的回路放电。输入耦合电阻 R两端 V 2并联的电容 c是为了加速 v的饱和导通。当输 1

3带负载能力极强的高速驱动电路目前已经有一些专用驱动功率 MO F T和 SE

人、,由高变低时， T退出饱和关断， V 2同时 V T饱和导通，时， M,和 VM2的栅极分别通过由此 VVT、及 V 2 lR D组成的回路和由 vT 组成的回”

IB G T的集成驱动电路，现有集成驱动电路无法但满足上述特殊要求。如 E B 4 X 8 1速度太慢，晟大开关频率只能达到 4~5 k-, I 2 1 0 0 lz而 R 1 0和 T S 8 2 I P 2 1

路放电。为得到快速的充放电回路，必缉尽量减则小 R~的阻值，时二极管 V, D均应使 4同 D~V 3

输出晟大电流仅 2 A。4 6

电力电子

功率 MO F T高速驱动电路的研究 SE

用快速二极管。为保证 VM1 VM

2不会直通，和输出由低电平变为高电平时，应使 VM2在 VM1之前

率为 20 Hz 0 k的开关信号波形，通道 l 2分别为上和下对管的驱动信号，中间有死区。图 5 b中的通道 1 为驱动信号 .通道 2为驱动信号经图 4所示驱动电路后的驱动波形，由图可以看出，驱动信号经驱动电路后的上升延时时间为 1 0 s左右，降延时时问 2n下为 10 s右。图 5 8n左 c中的通道 1为图 4驱动电路输出的驱动波形，道 2为 I 2 1通 R 10输出的驱动波形，以看出，可通道 1比通道 2延时 3 -6 n, I 0 0 s与 R公司提供的 I2 1 R 1 0的技术参数 (升延时时间上

放电完毕，在 VMz断之后 VM即关才开通；与此相应，当输出由高电平变为低电平时.使 VM2在应VM I之前充电至门槛值，在 vMl断之后 VM2即关

才开通。因此电路中、的取值应比、 7 R R小。在得到了足够快的上升和下降速度的触发脉冲后.还应保证开通时以低电阻对栅极电容充电.断关时为栅极提供低电阻放电回路。因此在图 4所示电

路中，成充电回路的电阻 R R组成放电回路组 ] l及的电阻 R、均应较小。 ]

9 n、 4 s下降延时时间 10 s相符。图 5 2n) d中的通道 l为图 4中 2 K 6 0漏极的电压波形.道 2为驱动 S 29通波形，由于开关频率太高，率 MOS E的输出振功 FT

4实验结果及分析为验证以上分析，频率为 2 0 H对 0 k z的触发脉

荡严重，实际实验中加了缓冲电路 .图中没有画出。

冲进行了实验，取的参数为： 4 p,=R选 C=20 F = 10Z 1= R= 1 f V、 l_ V 3均采用 6 f,h 5 8Z D1 V h D,、I 4 4, 1=R 1 l R 2 f R 4 .f。得 N 18 R 0 l= n, 1:2 2Z 1=0 5 Z,

5结

论

由以上结果表明，文所介绍的驱动电路为一本种有效的快速且带负载能力极强的驱动电路 .与

出一组实验波形如图 5所示。』: ll::

I210比，延时仅多出 3~6n,其输出电 I91相， )其 O 0s但流比 I2 1 R 1 0大很多 .一些高频大电流设备中可在

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有效地驱动功率 MO F T和 I B SE G T等开关器件。 但为了提高驱动电路的快速性，在减小电路中各电阻阻值的同时不可避免地会带来功耗问题，电阻减得越小.驱动电路延时越小，出电流越大，输功耗也越大。事实上 .果继续减小电路中电阻，如该驱动电路的驱动波形延时可以比 I 2 1 R 10的还小。在

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实际设计中，计者可以根据自己的实际情况 .设综合考虑快速性与功耗的问题，出合理的参数选择。作

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参考文献：[:张立等 .代电力电子技术[ 1现 M]北京：学出版杜，科19 95

图 5实验结果

图 5为开关电源控制芯片 UC 8 5输出的频 a 37

::辕治明 . 2电力电子器件基础[ M]北京：机械工业出版社，92 19 .

【接第 3页)上 5

参考文献：[】 C oJ n- o .t . oe Z r- lg n eoC r 1 h ugG o e N vl eo t ead Z r u. Vo a r t w t igF lB deP e - i hn u r g WM C netr s g a nS c li o vr U i Tr e n m一

1()20 27 52: - 5 5[]王聪软开关功率变换器及其应用[ 2 M]北京：科学出版杜，0 0 20

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[]曹建安等无损吸收 Z -C B P 3 VSZ S F WM变换器的优化设计[]电力电子技术，0 13 ( )1 -1 J. 2 0 5 1:0 2

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