功率MOSFET管驅(qū)動變壓器設(shè)計(jì)

1、功率MOSFE管驅(qū)動變壓器設(shè)計(jì)導(dǎo)讀摘要：對具有驅(qū)動變壓器的功率MOSFE管驅(qū)動電路的動態(tài)過程進(jìn)行了分析，推導(dǎo)了驅(qū)動變壓器設(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開通過程的影響，并通過仿真和試驗(yàn)證了這套計(jì)算方法的正確性。1引言作為開關(guān)電源的開關(guān)器件，功率MOSFET具有開關(guān)速度快、工作頻率高的特點(diǎn)，適用于高頻開關(guān)電路。此外，在并聯(lián)使用時(shí)，由于MOSFET具有正溫度系數(shù)，可以自動均流，無需均流電路，方便擴(kuò)流，這也是目前其他功率開關(guān)器件不可替代的優(yōu)點(diǎn)1。為了加速開通，減少損耗，對MOSFET的驅(qū)動電路的基本要求是內(nèi)阻要小，驅(qū)動電壓盡量高（但不能超過柵-源

2、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，柵極不允許開路，大功率MOSFET截止時(shí)，柵極最好施加負(fù)電壓2。MOSFET的驅(qū)動電路有多種形式，可以用TTL電平直接驅(qū)動，但更多采用隔離驅(qū)動，在驅(qū)動信號輸出端與MOSFET柵極之間用光耦或磁耦實(shí)現(xiàn)與主電路電隔離。驅(qū)動變壓器是常用的磁耦元件，起到傳輸驅(qū)動信號和功率的作用。設(shè)計(jì)合理的驅(qū)動變壓器，不僅可以提高M(jìn)OSFET開關(guān)性能，而且體積小、重量輕，成本低。2MOSFE1I內(nèi)部電容與變壓器驅(qū)動?xùn)艠O電路2.1 內(nèi)部電容MOSFET內(nèi)部電容，也稱極問電

3、容，是柵極、源極、漏極之間的寄生電容。開關(guān)電源最常用N溝道增強(qiáng)型MOSFET3,內(nèi)部電容分別為：柵-源極間電容Cgs,柵-漏極間電容Gd,漏-源極問電容Cs,如圖11,3。D與漏-源短路條件下小信號輸入電容Css的關(guān)系:Ciss-Cg與柵-源短路條件下小信號輸出電容Coss-Cds與小信號反向轉(zhuǎn)換電容（反饋電容）s+Cgd(1G)ss的關(guān)系：+Cgd(2Css的關(guān)系：gd(3驅(qū)動電路的任務(wù)就是針對MOSFET開通、關(guān)斷過程中的寄生電容進(jìn)行充放電。需要說明的是，內(nèi)部電容并非常數(shù)，會隨著開通、關(guān)斷過程中極間電壓的變化而變化，使得開通、關(guān)斷的動態(tài)過程比較復(fù)雜3，但是，對于柵極驅(qū)動，主要考慮上升、下降

4、時(shí)間內(nèi)（短于整個(gè)動態(tài)過程時(shí)間）的驅(qū)動波形，可以把Qs看做常數(shù)進(jìn)行分析。2.2 MOSFETT變壓器驅(qū)動?xùn)艠O電路圖2為變壓器驅(qū)動?xùn)艠O電路，是驅(qū)動電路的最后部分。變壓器T1提供驅(qū)動信號，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Qs充電，當(dāng)柵-源極間電壓Vgs大于門限開啟電壓VTh,MOSFET導(dǎo)通，進(jìn)而進(jìn)入飽和區(qū)，完成開通過程；當(dāng)變壓器驅(qū)動信號低電平時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，柵極電容的電荷迅速通過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防止柵極開路,穩(wěn)壓管D2限制信號幅度不能超過柵-源擊穿電壓，起到保護(hù)作用VPUSEIIsI圖2受壓tl驅(qū)幼極機(jī)II3變壓器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)為了簡化計(jì)

5、算，將變壓器視為方波脈沖電壓源，MOSFElt開通過程的等效電路如圖33，口SFET開通過程的雄電II暫態(tài)過程:柵極電壓:(7)肘4iJQOOff開通過程就是零狀態(tài)響應(yīng)過程，三要素4,5(4)(5)式中，U一變壓器輸出電壓,V(6)T和(8)由于R3>>Ri電阻R3電流：i1(t)=0(9)能rR1電流：初始值ucss(0)0時(shí)間常數(shù)T=(R1/R2)CsRiCss(10)2)4。圖4MOSFE關(guān)防過程的等效電事電路瞬時(shí)功率：1(11上升時(shí)間：tr=2.2=2.2RiCiss(1忽略三極管Q飽和導(dǎo)通管壓降0.2V,MOSFET關(guān)斷過程的等效電路如圖關(guān)斷過程即可看作零輸入響應(yīng)過程，柵

6、極電壓U,主要元件依然是R,Css(由于R>>R,忽略電阻R),基本是開通的逆過程，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一驅(qū)動信號頻率，Hz變壓器功率：(14)通過分析，由式(12)可知，減少上升時(shí)間tr的辦法是減少R,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。相對于內(nèi)阻r,分布電感對動特性影響更為顯著，考慮變壓器漏感和線路雜散電感Ls后MOSFET開通過程的等效電路如

7、圖5(忽略電阻R3)。附5有虛變壓!J后MOSE開通過況的敦電族由式(18),對于階躍輸入5pCiwllooopF系統(tǒng)時(shí)域方程:(17)(15)LsCiss-S?2+R1Ciss-s+1=0(18)時(shí)，系統(tǒng)臨界振蕩。此時(shí),EM”(19)2)(20)此時(shí)，自然頻率(無阻尼震蕩頻率)：阻尼比:(21)(22)(23)(16)1)iJ】中町(24)'>0,3)AC.時(shí)，系統(tǒng)不振蕩。此時(shí)，3血用(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)動變壓器，變比1:1,驅(qū)動電壓12V,開關(guān)頻率30kHz,MOSFET型號IXTK15P,參數(shù)：trr=150ns;C

8、iss=7000pF;Qg=240nC3只并聯(lián)使用，此時(shí)，Ciss=21000pFo柵極電路如圖2。電路開通動態(tài)分析：由式(6),時(shí)間常數(shù)p=R1Ciss=10X21000X10-12=2.1x10-7s；由式(7),柵極電壓：l-e*&】沖由式(10),柵極串聯(lián)電阻R1電流:，力尸由式(11),電路瞬時(shí)功率：小卜見才:14博及由式(12),上升時(shí)間：tr=2.2T=4.62X10-7s開通瞬態(tài)過程(01ps)仿真結(jié)果如圖6:驅(qū)動變壓器設(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=0.095X12=1.14W由式(19),系統(tǒng)臨界振蕩的變壓器漏感：

9、Ls=0.25CissR2=0.25乂21000X10-12X102=5.25乂10-7H=0.525H為了說明變壓器漏感和線路雜散電感Ls對驅(qū)動的動態(tài)過程的影響，針對本設(shè)計(jì)，根據(jù)式(21)-(24)，對不同Ls值進(jìn)行開通過程(05ps)仿真，結(jié)果如圖7S7對不同4值井通過程進(jìn)行訪瓦的縉果當(dāng)變壓器漏感以及分布電感Ls超過臨界值（如0.525pH）時(shí)，系統(tǒng)振蕩。如果Ls過大（如4pH）,一方面會使得上升時(shí)間延遲，另一方面，柵-源極問電壓超調(diào)量過大，可能將會引起MOSFET開通過程不穩(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度。驅(qū)動變壓器功率、電流都很小，在工程

10、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、次級繞組導(dǎo)線并行繞制。止匕外，考慮到初次級會產(chǎn)生很高的電位差，應(yīng)保證初次級繞組導(dǎo)線足夠的絕緣強(qiáng)度。設(shè)計(jì)的驅(qū)動變壓器：磁芯PC44EPC13初級匝數(shù)26,次級匝數(shù)26,磁感應(yīng)強(qiáng)度0.25T,漏感0.55仙H,外形尺寸20.4乂13.3X7。實(shí)驗(yàn)表明，驅(qū)動變壓器工作穩(wěn)定可靠，損耗低，驅(qū)動波形上升沿、下降沿陡峭，無過沖現(xiàn)象，與仿真結(jié)果接近，滿足設(shè)計(jì)要求。驅(qū)動變壓器輸出驅(qū)動波形如圖8。lisazuaCM1CM2May一-一圖8型動變壓H看出整就披形4結(jié)論1）驅(qū)動電路的任務(wù)就是針對MOSFET開通、關(guān)斷過程中的寄生電容進(jìn)行充放電。驅(qū)動變壓器是常用的磁耦元件，起到傳輸驅(qū)動信號和功率的作用；2）為了加速開通，減少損耗，對驅(qū)動電路的基本要求是內(nèi)阻要小，但代價(jià)是增大了驅(qū)動變壓器輸出電流和功率;3）驅(qū)動變壓器輸出電流和功率還與開關(guān)頻率和驅(qū)動電壓有關(guān)，并隨著頻率提高或電壓提高而增大。4）為了驅(qū)動過程快速、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度。參考文獻(xiàn)1 張占松開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)