高頻MOS驅(qū)動電路仿真波形實驗波

介紹并分析研究了幾種較簡單實用的驅(qū)動電路,給出了電路圖,部分仿真波形或?qū)嶒灢ā?/FONT>

關(guān)鍵詞：高頻驅(qū)動電路

1 引言

開關(guān)電源由于體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點,應(yīng)用已越來越普及。MOSFET由于開關(guān)速度快、易并聯(lián)、所需驅(qū)動功率低等優(yōu)點已成為開關(guān)電源最常用的功率開關(guān)器件之一。而驅(qū)動電路的好壞直接影響開關(guān)電源工作的可靠性及性能指標(biāo)。一個好的MOSFET驅(qū)動電路的要求是：

（1）開關(guān)管開通瞬時,驅(qū)動電路應(yīng)能提供足夠大的充電電流使MOSFET柵源極間電壓迅速上升到所需值,保證開關(guān)管能快速開通且不存在上升沿的高頻振蕩;

（2）開關(guān)管導(dǎo)通期間驅(qū)動電路能保證MOSFET柵源極間電壓保持穩(wěn)定使可靠導(dǎo)通;

（3）關(guān)斷瞬間驅(qū)動電路能提供一個盡可能低阻抗的通路供MOSFET柵源極間電容電壓的快速泄放,保證開關(guān)管能快速關(guān)斷;

（4）關(guān)斷期間驅(qū)動電路最好能提供一定的負(fù)電壓避免受到干擾產(chǎn)生誤導(dǎo)通;

（5）另外要求驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)簡單可靠,損耗小,最好有隔離。

本文介紹并討論分析一下作者在研制開關(guān)電源中使用的幾種結(jié)構(gòu)簡單可行的MOSFET管驅(qū)動電路。

2 幾種MOSFET驅(qū)動電路介紹及分析

2.1 不隔離的互補(bǔ)驅(qū)動電路

圖1（a）為常用的小功率驅(qū)動電路,簡單可靠成本低。適用于不要求隔離的小功率開關(guān)設(shè)備。圖1(b)所示驅(qū)動電路開關(guān)速度很快,驅(qū)動能力強(qiáng),為防止倆個MOSFET管直通,通常串接一個0.5～1Ω小電阻用于限流,該電路適用于不要求隔離的中功率開關(guān)設(shè)備。這兩種電路結(jié)構(gòu)特簡單。

功率MOSFET屬于電壓型控制器件,只要柵極和源極之間施加的電壓超過其閾值電壓就會導(dǎo)通。由于MOSFET存在結(jié)電容,關(guān)斷時其漏源兩端電壓的突然上升將會通過結(jié)電容在柵源兩端產(chǎn)生干擾電壓。常用的互補(bǔ)驅(qū)動電路的關(guān)斷回路阻抗小,關(guān)斷速度較快,但它不能提供負(fù)壓,故其抗干擾性較差。為了提高電路的抗干擾性,可在此種驅(qū)動電路的基礎(chǔ)上增加一級由V1、V2、R組成的電路,產(chǎn)生一個負(fù)壓,電路原理圖如圖2(a)所示。

當(dāng)V1導(dǎo)通時,V2關(guān)斷,兩個MOSFET中的上管的柵、源極放電,下管的柵、源極充電,即上管關(guān)斷、下管導(dǎo)通,則被驅(qū)動的功率管關(guān)斷;反之V1關(guān)斷時,V2導(dǎo)通,上管導(dǎo)通,下管關(guān)斷,使驅(qū)動的管子導(dǎo)通。因為上下兩個管子的柵、源極通過不同的回路棄、放電,包含有V2的回路由于V2會不斷退出飽和直至關(guān)斷,所以對于S1而言導(dǎo)通比關(guān)斷要慢,對于S2而言導(dǎo)通比關(guān)斷要快,所以兩管發(fā)熱程度也不完全一樣,S1比S2發(fā)熱要嚴(yán)重。該驅(qū)動電路的缺點是需要雙電源,且由于R的取值不能過大,否則會使V1深度飽和,影響關(guān)斷速度,所以R上會有一定的損耗。

還有一種與其相類似的電路如圖2(b)所示,改進(jìn)之處在于它只需要單電源。其產(chǎn)生的負(fù)壓由5.2V的穩(wěn)壓管提供。同時PNP管換成NPN管。在該電路中的兩個MOSFET中,上管的發(fā)熱情況要比下管較輕,其工作原理同上面分析的驅(qū)動電路,故不再贅述。

2.2 隔離的驅(qū)動電路

（1）正激式驅(qū)動電路

電路原理圖如圖3(a)所示,N3為去磁繞組,S2為所驅(qū)動的功率管。R2為防止功率管柵極、源極端電壓振蕩的一個阻尼電阻。因變壓器漏感較小,且從速度方面考慮,一般R2較小,故在分析中忽略不計。其工作波形分為兩種情況,一種為去磁繞組導(dǎo)通的情況,見圖4（a）;一種為去磁繞組不導(dǎo)通的情況,見圖4(b)。

等值電路圖如圖3(b)所示,脈沖變壓器的副邊并聯(lián)—電阻R1,它做為正激式變換器的假負(fù)載,用于消除關(guān)斷期間輸出電壓發(fā)生振蕩而誤導(dǎo)通,見圖5。同時它還可作為功率MOSFET關(guān)斷時的能量泄放回路。該驅(qū)動電路的導(dǎo)通速度主要與被驅(qū)動的S2柵、源極等效輸入電容的大小、S1的驅(qū)動信號的速度以及S1所能提供的電流大小有關(guān)。由仿真及分析可知,占空比D越小、R1越大、L越大,磁化電流越小,U1值越小,關(guān)斷速度越慢。

該電路具有以下優(yōu)點：①電路結(jié)構(gòu)簡單可靠,實現(xiàn)了隔離驅(qū)動。②只需單電源即可提供導(dǎo)通時正、關(guān)斷時負(fù)壓。③占空比固定時,通過合理的參數(shù)設(shè)計,此驅(qū)動電路也具有較快的開關(guān)速度。該電路存在的缺點：一是由于隔離變壓器副邊需要一個假負(fù)載防震蕩,故該電路損耗較大;二是當(dāng)占空比變化時關(guān)斷速度變化加大。脈寬較窄時,由于是貯存的能量減少導(dǎo)致MOSFET柵極的關(guān)斷速度變慢。表1為不同占空比時關(guān)斷時間toff（驅(qū)動電壓從10伏下降到0伏的時間）內(nèi)變化情況。