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1、大功率电源的设计第一部分 驱动电路的设计 1引言： 开关电源由于体积小、重量轻、效率高等 优点,应用已越来越普及。MOSFET由于开 关速度快、易并联、所需驱动功率低等优 点已成为开关电源最常用的功率开关器件 之一。而驱动电路的好坏直接影响开关电 源工作的可靠性及性能指标。一个好的 MOSFET驱动电路的要求是： （1）开关管开通瞬时,驱动电路应能提供足 够大的充电电流使MOSFET栅源极间电压 迅速上升到所需值,保证开关管能快速开通 且不存在上升沿的高频振荡; （2）开关管导通期间驱动电路能保证 MOSFET栅源极间电压保持稳定使可靠导 通; （3）关断瞬间驱动电路能提供一个尽可能 低阻抗的
2、通路供MOSFET栅源极间电容电 压的快速泄放,保证开关管能快速关断; （4）关断期间驱动电路最好能提供一定的 负电压避免受到干扰产生误导通; （5）另外要求驱动电路结构简单可靠,损耗 小,最好有隔离。 2 几种MOSFET驱动电路介绍及分析： 2.1 不隔离的互补驱动电路 图1（a）为常用的小功率驱动电路,简单可 靠成本低。适用于不要求隔离的小功率开 关设备。图1(b)所示驱动电路开关速度很快 ,驱动能力强,为防止俩个MOSFET管直通,通 常串接一个0.51小电阻用于限流,该电路 适用于不要求隔离的中功率开关设备。这 两种电路结构特简单。 功率MOSFET属于电压型控制器件,只要栅极和源
3、极之间施加的电压超过其阈值电压就会导通。由 于MOSFET存在结电容,关断时其漏源两端电压的 突然上升将会通过结电容在栅源两端产生干扰电 压。常用的互补驱动电路的关断回路阻抗小,关断 速度较快,但它不能提供负压,故其抗干扰性较差。 为了提高电路的抗干扰性,可在此种驱动电路的基 础上增加一级由V1、V2、R组成的电路,产生一个 负压,电路原理图如图2(a)所示。 当V1导通时,V2关断,两个MOSFET中的上 管的栅、源极放电,下管的栅、源极充电,即 上管关断、下管导通,则被驱动的功率管关 断;反之V1关断时,V2导通,上管导通,下管关 断,使驱动的管子导通。因为上下两个管子 的栅、源极通过不同
4、的回路弃、放电,包含 有V2的回路由于V2会不断退出饱和直至关 断,所以对于S1而言导通比关断要慢,对于S2 而言导通比关断要快,所以两管发热程度也 不完全一样,S1比S2发热要严重。 该驱动电路的缺点是需要双电源,且由于R的 取值不能过大,否则会使V1深度饱和,影响关 断速度,所以R上会有一定的损耗。 还有一种与其相类似的电路如图2(b)所示, 改进之处在于它只需要单电源。其产生的 负压由5.2V的稳压管提供。同时PNP管换 成NPN管。在该电路中的两个MOSFET中, 上管的发热情况要比下管较轻,其工作原理 同上面分析的驱动电路,故不再赘述。 2.2 隔离的驱动电路 （1）正激式驱动电路
5、电路原理图如图3(a)所示,N3为去磁绕组,S2 为所驱动的功率管。R2为防止功率管栅极 、源极端电压振荡的一个阻尼电阻。因变 压器漏感较小,且从速度方面考虑,一般R2较 小,故在分析中忽略不计。 其工作波形分为两种情况,一种为去磁绕组 导通的情况,见图4（a）;一种为去磁绕组不 导通的情况,见图4(b)。 等值电路图如图3(b)所示,脉冲变压器的副边并联 电阻R1,它做为正激式变换器的假负载,用于消 除关断期间输出电压发生振荡而误导通,见图5。 同时它还可作为功率MOSFET关断时的能量泄放 回路。该驱动电路的导通速度主要与被驱动的S2 栅、源极等效输入电容的大小、S1的驱动信号的 速度以及
6、S1所能提供的电流大小有关。由仿真及 分析可知,占空比D越小、R1越大、L越大,磁化电 流越小,U1值越小,关断速度越慢。 该电路具有以下优点：电路结构简单可 靠,实现了隔离驱动。只需单电源即可提 供导通时正、关断时负压。占空比固定 时,通过合理的参数设计,此驱动电路也具有 较快的开关速度。该电路存在的缺点：一 是由于隔离变压器副边需要一个假负载防 震荡,故该电路损耗较大;二是当占空比变化 时关断速度变化加大。脉宽较窄时,由于是 贮存的能量减少导致MOSFET栅极的关断 速度变慢。 （2）有隔离变压器的互补驱动电路 如图6(a)所示,V1、V2为互补工作,电容C起 隔离直流的作用,T1为高频、
7、高磁率的磁环 或磁罐。 导通时隔离变压器上的电压为(1D)Ui、 关断时为DUi,若主功率管S可靠导通电压为 12V,则隔离变压器原副边匝比N1/N2为 12/(1D)/Ui。为保证导通期间GS电压稳 定C值可稍取大些。 导通时隔离变压器上的电压为(1D)Ui、 关断时为DUi,若主功率管S可靠导通电压为 12V,则隔离变压器原副边匝比N1/N2为 12/(1D)/Ui。为保证导通期间GS电压稳 定C值可稍取大些。实验波形见图7(a)。该 电路具有以下优点： 电路结构较简单可靠,具有电气隔离作用 。当脉宽变化时,驱动的关断能力不会随着 变化。 该电路只需一个电源,即为单电源工作。 隔直电容C的
8、作用可以在关断所驱动的管子 时提供一个负压,从而加速了功率管的关断, 且有较高的抗干扰能力 但该电路所存在的一个较大缺点是输出电 压的幅值会随着占空比的变化而变化。当D 较小时,负向电压小,该电路的抗干扰性变差, 且正向电压较高,应该注意使其幅值不超过 MOSFET栅极的允许电压。当D大于0.5时 驱动电压正向电压小于其负向电压,此时应 该注意使其负电压值不超过MOSFET栅极 的允许电压。所以该电路比较适用于占空 比固定或占空比变化范围不大以及占空比 小于0.5的场合。 6(b)为占空比大于0.5时适用的驱动电路,其 中Z2为稳压二极管,此时副边绕组负电压值 较大,Z2的稳压值为所需的负向电
9、压值,超过 部分电压降在电容C2上,其实验波形见图 7(b)。 （3）集成芯片UC3724/3725构成的驱动电 路 电路构成图如图8所示 其中UC3724用来产生高频载波信号,载波频率由 电容CT和电阻RT决定。一般载波频率小于 600kHz,4脚和6脚两端产生高频调制波,经高频小 磁环变压器隔离后送到UC3725芯片7、8两脚经 UC3725进行解调后得到驱动信号,UC3725内部有 一肖特基整流桥同时将7、8脚的高频调制波整流 成一直流电压供驱动所需功率。一般来说载波频 率越高驱动延时越小,但太高抗干扰性变差;隔离变 压器磁化电感越大磁化电流越小,UC3724发热越 少,但太大使匝数增多
10、导致寄生参数影响变大,同样 会使抗干扰能力降低。故根据实验研究得出： 对于开关频率小于100kHz的信号一般取 (400500)kHz载波频率较好,变压器选用较 高磁导如5K、7K等高频环形磁芯,其原边磁 化电感大小约1毫亨左右为好。这种驱动电 路仅适合于信号频率小于100kHz场合,因信 号频率相对载波频率太高的话,相对延时太 多,且所需驱动功率增大,UC3724和UC3725 芯片发热厉害温升较高,故100kHz以上开关 频率仅对较小极电容的MOSFET才可以。 对于1kVA左右开关频率小于100kHz场合, 它是一种性能良好的驱动电路。该电路具 有以下特点：单电源工作,控制信号与驱动 实现隔离,结构简单尺寸较小,尤其适用于占 空比变化莫测或信号频率也变化的场合。 结束语： 介绍的几种MOSFET驱动电路均有以下优 点：结构较简单可靠;单电源工作;适用于大 、中、小功率开关电源。以上电路均已应 用到不同功率的实际开关电源的原理样机 中,经过了实验的检验。 谢谢！ 全天成 2011.07.13
