功率MOSFET管驅(qū)動(dòng)變壓器設(shè)計(jì)

1、功率MOSFET管驅(qū)動(dòng)變壓器設(shè)計(jì)導(dǎo)讀摘要：對(duì)具有驅(qū)動(dòng)變壓器的功率MOSFET管驅(qū)動(dòng)電路的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了分析，推導(dǎo)了驅(qū)動(dòng)變壓器設(shè)計(jì)參數(shù)（繞組電流有效值，變壓器功率）的計(jì)算方法，定量分析了變壓器漏感和電路雜散電感對(duì)開(kāi)通過(guò)程的影響，并通過(guò)仿真和試驗(yàn)證了這套計(jì)算方法的正確性。1 引言作為開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)器件，功率MOSFET管具有開(kāi)關(guān)速度快、工作頻率高的特點(diǎn)，適用于高頻開(kāi)關(guān)電路。此外，在并聯(lián)使用時(shí)，由于MOSFET管具有正溫度系數(shù)，可以自動(dòng)均流，無(wú)需均流電路，方便擴(kuò)流，這也是目前其他功率開(kāi)關(guān)器件不可替代的優(yōu)點(diǎn)1。為了加速開(kāi)通，減少損耗，對(duì)MOSFET管的驅(qū)動(dòng)電路的基本要求是內(nèi)阻要小，驅(qū)動(dòng)電壓盡量高（但不

2、能超過(guò)柵-源擊穿電壓）；為了加速關(guān)斷，應(yīng)給輸入電容提供低阻放電通道；為了抑制高頻振蕩，柵極引線盡量短，減少線路分布參數(shù)；為了防止靜電感應(yīng)導(dǎo)致柵極電壓上升引起誤導(dǎo)通，柵極不允許開(kāi)路，大功率MOSFET管截止時(shí)，柵極最好施加負(fù)電壓2。MOSFET管的驅(qū)動(dòng)電路有多種形式，可以用TTL電平直接驅(qū)動(dòng)，但更多采用隔離驅(qū)動(dòng)，在驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端與MOSFET管柵極之間用光耦或磁耦實(shí)現(xiàn)與主電路電隔離。驅(qū)動(dòng)變壓器是常用的磁耦元件，起到傳輸驅(qū)動(dòng)信號(hào)和功率的作用。設(shè)計(jì)合理的驅(qū)動(dòng)變壓器，不僅可以提高M(jìn)OSFET管開(kāi)關(guān)性能，而且體積小、重量輕，成本低。2 MOSFET管內(nèi)部電容與變壓器驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O電路2.1 內(nèi)部電容MOSFE

3、T管內(nèi)部電容，也稱(chēng)極間電容，是柵極、源極、漏極之間的寄生電容。開(kāi)關(guān)電源最常用N溝道增強(qiáng)型MOSFET管3，內(nèi)部電容分別為：柵-源極間電容Cgs，柵-漏極間電容Cgd，漏-源極間電容Cds，如圖11,3。與漏-源短路條件下小信號(hào)輸入電容Ciss的關(guān)系：Ciss=Cgs+Cgd (1)與柵-源短路條件下小信號(hào)輸出電容Coss的關(guān)系：Coss=Cds+Cgd (2)與小信號(hào)反向轉(zhuǎn)換電容（反饋電容）Crss的關(guān)系：Crss=Cgd (3)驅(qū)動(dòng)電路的任務(wù)就是針對(duì)MOSFET管開(kāi)通、關(guān)斷過(guò)程中的寄生電容進(jìn)行充放電。需要說(shuō)明的是，內(nèi)部電容并非常數(shù)，會(huì)隨著開(kāi)通、關(guān)斷過(guò)程中極間電壓的變化而變化，使得開(kāi)通、關(guān)斷的

4、動(dòng)態(tài)過(guò)程比較復(fù)雜3，但是，對(duì)于柵極驅(qū)動(dòng)，主要考慮上升、下降時(shí)間內(nèi)（短于整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間）的驅(qū)動(dòng)波形，可以把Ciss看做常數(shù)進(jìn)行分析。2.2 MOSFET管變壓器驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O電路圖2為變壓器驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O電路，是驅(qū)動(dòng)電路的最后部分。變壓器T1提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)由保護(hù)二極管D1、柵極串聯(lián)電阻R1向柵極輸入電容Ciss充電，當(dāng)柵-源極間電壓Vgs大于門(mén)限開(kāi)啟電壓VTh，MOSFET管導(dǎo)通，進(jìn)而進(jìn)入飽和區(qū)，完成開(kāi)通過(guò)程；當(dāng)變壓器驅(qū)動(dòng)信號(hào)低電平時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，柵極電容的電荷迅速通過(guò)R1，Q1構(gòu)成的閉合回路釋放，達(dá)到快速關(guān)斷的目的。電阻R3防止柵極開(kāi)路，穩(wěn)壓管D2限制信號(hào)幅度不能超過(guò)柵-源擊穿電壓，起到保護(hù)作用。

5、3 變壓器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將變壓器視為方波脈沖電壓源，MOSFET管開(kāi)通過(guò)程的等效電路如圖3。開(kāi)通過(guò)程就是零狀態(tài)響應(yīng)過(guò)程，三要素4,5：初始值uciss(0)=0 (4)由于R3R1，穩(wěn)態(tài)值； (5)式中，U1變壓器輸出電壓，V時(shí)間常數(shù)=(R1/R2)CissR1Ciss； (6)暫態(tài)過(guò)程：柵極電壓： (7)柵極電流： (8)柵極電阻R3電流：i1(t)0 (9)柵極串聯(lián)電阻R1電流： (10)電路瞬時(shí)功率： (11)上升時(shí)間：tr=2.2=2.2R1Ciss (12)忽略三極管Q1飽和導(dǎo)通管壓降0.2V，MOSFET管關(guān)斷過(guò)程的等效電路如圖4。關(guān)斷過(guò)程即可看作零輸入響應(yīng)過(guò)程，柵極電壓

6、U1，主要元件依然是R1，Ciss（由于R3R1,忽略電阻R3），基本是開(kāi)通的逆過(guò)程，因此，變壓器輸出電流有效值4： (13)式中，I變壓器輸出電流有效值，A；f驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率，Hz變壓器功率： (14)通過(guò)分析，由式(12)可知，減少上升時(shí)間tr的辦法是減少R1，但式(13)(14)表明，代價(jià)是增大了輸出電流有效值和變壓器功率；提高頻率和驅(qū)動(dòng)電壓將導(dǎo)致電流有效值和變壓器功率增加。線路分布參數(shù)包括變壓器漏感，內(nèi)阻r，以及導(dǎo)線引起的寄生電感等，隨著工作頻率提高，分布參數(shù)影響逐漸明顯。相對(duì)于內(nèi)阻r，分布電感對(duì)動(dòng)特性影響更為顯著，考慮變壓器漏感和線路雜散電感Ls后MOSFET管開(kāi)通過(guò)程的等效電路如圖5

7、（忽略電阻R3）。系統(tǒng)時(shí)域方程： (15)傳遞函數(shù)： (16)特征方程：LsCissS2+R1Cisss+1=0 (17)特征方程根：（極點(diǎn)） (18)由式(18)，對(duì)于階躍輸入51) 時(shí)，系統(tǒng)臨界振蕩。此時(shí)， (19)2) 時(shí)，系統(tǒng)振蕩收斂。此時(shí)， (20)此時(shí)，自然頻率（無(wú)阻尼震蕩頻率）： (21)阻尼比： (22)阻尼角： (23) (24)3) 時(shí)，系統(tǒng)不振蕩。此時(shí)， (25)理想情況下， Ls=0，系統(tǒng)即退化成圖3所示的一階系統(tǒng)。試驗(yàn)：要求設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)變壓器，變比1:1，驅(qū)動(dòng)電壓12V，開(kāi)關(guān)頻率30kHz，MOSFET管型號(hào)IXTK15P，參數(shù)：trr=150ns；Ciss=7000pF

8、；Qg=240nC，3只并聯(lián)使用，此時(shí)，Ciss=21000pF。柵極電路如圖2。電路開(kāi)通動(dòng)態(tài)分析：由式(6)，時(shí)間常數(shù)R1Ciss=102100010-12=2.110-7s；由式(7)，柵極電壓：由式(10)，柵極串聯(lián)電阻R1電流：由式(11)，電路瞬時(shí)功率：由式(12)，上升時(shí)間：tr=2.2=4.6210-7s開(kāi)通瞬態(tài)過(guò)程(01s)仿真結(jié)果如圖6：驅(qū)動(dòng)變壓器設(shè)計(jì)參數(shù)：由式(13)，變壓器輸出電流有效值：由式(14)，變壓器功率：P=IU1=0.09512=1.14W由式(19)，系統(tǒng)臨界振蕩的變壓器漏感：Ls=0.25CissR12=0.252100010-12102=5.2510-7

9、H=0.525H為了說(shuō)明變壓器漏感和線路雜散電感Ls對(duì)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程的影響，針對(duì)本設(shè)計(jì)，根據(jù)式(21)-(24)，對(duì)不同Ls值進(jìn)行開(kāi)通過(guò)程(05s)仿真，結(jié)果如圖7。當(dāng)變壓器漏感以及分布電感Ls超過(guò)臨界值（如0.525H）時(shí)，系統(tǒng)振蕩。如果Ls過(guò)大（如4H），一方面會(huì)使得上升時(shí)間延遲，另一方面，柵-源極間電壓超調(diào)量過(guò)大，可能將會(huì)引起MOSFET管開(kāi)通過(guò)程不穩(wěn)定，甚至危及管子安全。因此，期望Ls小些好，所以，盡量減少變壓器漏感和引線長(zhǎng)度。驅(qū)動(dòng)變壓器功率、電流都很小，在工程設(shè)計(jì)中，考慮留下余量，應(yīng)該取大一些磁芯，這樣做的另一個(gè)好處是，減少了變壓器匝數(shù)，減少漏感量。為了進(jìn)一步減少漏感，初、次級(jí)繞組導(dǎo)

10、線并行繞制。此外，考慮到初次級(jí)會(huì)產(chǎn)生很高的電位差，應(yīng)保證初次級(jí)繞組導(dǎo)線足夠的絕緣強(qiáng)度。設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)變壓器：磁芯PC44 EPC13，初級(jí)匝數(shù)26，次級(jí)匝數(shù)26，磁感應(yīng)強(qiáng)度0.25T，漏感0.55H，外形尺寸20.413.37。實(shí)驗(yàn)表明，驅(qū)動(dòng)變壓器工作穩(wěn)定可靠，損耗低，驅(qū)動(dòng)波形上升沿、下降沿陡峭，無(wú)過(guò)沖現(xiàn)象，與仿真結(jié)果接近，滿足設(shè)計(jì)要求。驅(qū)動(dòng)變壓器輸出驅(qū)動(dòng)波形如圖8。4 結(jié)論1)驅(qū)動(dòng)電路的任務(wù)就是針對(duì)MOSFET管開(kāi)通、關(guān)斷過(guò)程中的寄生電容進(jìn)行充放電。驅(qū)動(dòng)變壓器是常用的磁耦元件，起到傳輸驅(qū)動(dòng)信號(hào)和功率的作用；2)為了加速開(kāi)通，減少損耗，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的基本要求是內(nèi)阻要小，但代價(jià)是增大了驅(qū)動(dòng)變壓器輸出電流和功率；3)驅(qū)動(dòng)變壓器輸出電流和功率還與開(kāi)關(guān)頻率和驅(qū)動(dòng)電壓有關(guān)，并隨著頻率提高或電壓提高而增大。4)為了驅(qū)動(dòng)過(guò)程快速、穩(wěn)定、安全可靠，抑制高頻振蕩，盡量減少變壓器漏感和引線長(zhǎng)度。參考文獻(xiàn)1張占松 開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)M.北京,電子工業(yè)出