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| 微特電機論文：帶保護功能的功率MOSFET驅(qū)動電路 |
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帶保護功能的功率MOSFET驅(qū)動電路
0引 言
通常功率場效管內(nèi)部(柵一源極間)制作了一個保護用的齊納二極管，由于該齊納二極管的存在，也將使M0sFET管的柵極輸入電容增大。因此，為了提高其開關(guān)速度，必須充分考慮柵極輸入電容的影響，保證輸入電容在開關(guān)過程中能很快充放電，因此，在設(shè)計功率MOsFET柵極驅(qū)動電路時，還
必須使控制回路與功率MOsFET構(gòu)成的主回路之間完全隔離。考慮到功率MOsFET柵源極間的正反向電壓****值一般都在20 V左右，因而其門檻電壓UGS（th)一般控制在2～6V，當(dāng)柵源極間電壓UGS≥10 V時，MOsFET就進入飽和導(dǎo)通狀態(tài)。為了保證電路可靠觸發(fā)，應(yīng)盡可能采用強驅(qū)動方式。
1高頻橋式整流驅(qū)動電路
高頻橋式整流驅(qū)動電路如圖1所示。它由高頻脈沖振蕩器、四個三極管VTl、V12、vT3、vT4構(gòu)成的互補電路、脈沖變壓器、橋式整流驅(qū)動電路及cD4528或c1)4538單穩(wěn)電路構(gòu)成的保護環(huán)節(jié)組成。
由門電路G1和2 MHz晶體振蕩器構(gòu)成的高頻脈沖振蕩器輸出經(jīng)cD4(】】3分頻后，在其輸出端O和O得到一相位相反的兩路高頻脈沖信號，該脈沖信號分別作為門G2和G3的一個輸入。當(dāng)控制信號ui為高電平時，門G2和c3輸出端產(chǎn)生相應(yīng)的兩路脈沖，并分別驅(qū)動由vTl、v12和vT3、vT4構(gòu)成的互補電路，其中G2用以控制vTl、vT2的基極，G3用以控制VT3、VT4的幕極。由于G2和G3相位相反，G2為高電平時G3為低電平，G2為低電平時G3為高電平。因此，在任一時刻，VTl、VT2、VT3、VT4四個三極管中，當(dāng)vTl、vT3導(dǎo)通時，VT2、VT4截止，或者當(dāng)VT2、VT4導(dǎo)通時，vTl、vT3截止，從而在脈沖變壓器原邊得到一個交變的對稱方波信號。為了提高功率MOsFET的開通和關(guān)斷時間，在vTl、vT2、VT3、VT4構(gòu)成的三極管互補電路中，因三極管與電源間不接任何限流電阻，因此脈沖變壓器原邊的方波幅值為電源電壓VCC該方波信號經(jīng)脈沖變壓器耦合后．在副邊也得到一交變的對稱方波信號，其幅值由脈沖變壓器原邊、副邊線圈的匝數(shù)比決定，通常該匝數(shù)比設(shè)計為1。但考慮到變壓器的各種損耗因素等，應(yīng)使變壓器副邊的匝數(shù)略大于原邊的匝數(shù)：本電路變壓器鐵心所采用的普通O.2 T環(huán)形導(dǎo)磁體中，原邊匝數(shù)為12匝，副邊匝數(shù)為14匝。脈沖變壓器輸出信
號經(jīng)VDl～VD2構(gòu)成的橋式整流電路整流后，即可按到VT6的柵極直接驅(qū)動功率M0sFET。圖2給出了該電路各點的輸出波形；
當(dāng)控制信號ui為低電平時，振蕩器輸出信號被封閉，門G2和G3同時輸出高電平，從而三極管VT2、VT3處于截止?fàn)顟B(tài)，脈沖變壓器原邊沒有形成通路，因而副邊輸出為零，即U2為零，故功率MOsFET被關(guān)斷.
2自動保護原理
2 1 cMOs石英晶體振蕩器
構(gòu)成振蕩器的方式有多種，一般可根據(jù)所用元器件特點、輸出頻率范圍及電源形式來選擇不同的振蕩電路.本電路選用r由cMOs集成電路和石英晶體構(gòu)成的振蕩器。該電路除具有結(jié)構(gòu)簡單、輸出頻率穩(wěn)定且可靠等優(yōu)點外，而且在滿足功率MOsFET對柵極驅(qū)動電平要求的前提下，可使整個電路采用單一的+15 V電源，因而簡化了電路。圖1中，振蕩器由反相器G1、2 MHz石英晶體振蕩器及電容ca和cb構(gòu)成。其中Rf的作用是為反相器提供一個偏置，使反相器工作在線性放大狀態(tài)。ca、cb和石英晶體組成π型反饋網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)電路振蕩頻率接近石英晶體的固有串聯(lián)諧振頻率時，電路維持振蕩，此時調(diào)整ca、cb數(shù)值就可微調(diào)振蕩頻率。cD4013是具有復(fù)位和置位功能的雙D觸發(fā)器，主要用于對振蕩器輸出進行分頻，并通過其Q端和Q端輸出兩路相位相反的脈沖信號。在該振蕩電路中，Rf的取值非常重要，若阻值過小或過大都將使電路工作極不穩(wěn)定，特別是起振困難：一旦電路停振，必然引起后續(xù)電路元件直通損壞，后果是非常嚴重的。通常，Rf的取值范圍在100kΩ～10 MΩ之間較合適。
2 2三極管互補驅(qū)動電路的保護
為了提高元器件的開通時間和關(guān)斷時間，在脈沖變壓器前端的三極管互補電路中，三極管與電源之間不接任何限流電阻。當(dāng)振蕩器因故停振時，若G2輸出高電平，G3輸出低電平，則VTl、VT3將同時導(dǎo)通并通過電源對地短路，反之若G2輸出低電平，G3輸出高電平，則VT2、VT4電將同時導(dǎo)通，并通過電源對地短路，因此，需要對圖1所示電路采取一定的保護措施。為此，可以采用…個由CD4528或CD4538雙單穩(wěn)態(tài)集成觸發(fā)電路構(gòu)成的保護電路。在CD4528或CD4538每個單穩(wěn)態(tài)電路中，有兩個可再觸發(fā)輸入端T1和T2若用脈沖上升沿觸發(fā)時，觸發(fā)信號從A端輸入，B端接高電平；若用脈沖下跳沿觸發(fā)，則觸發(fā)信號從B端輸入，A端接低電平。cD是復(fù)位端，低電平時有效。其保護工作原理當(dāng)振蕩器因故停止振蕩時，從A端輸入的觸發(fā)信號為一不變的直流電平，由于這時B端和復(fù)位端cD都為高電平，從而保證了其Q端輸出為高電平。該信號同時加至分頻器CD4013的復(fù)位端(4
腳)和置位端(6腳)，使分頻器兩個輸出端也都為高電平，從而可使VT2、VT3截止。這樣就保證了驅(qū)動三極管互補電路不會發(fā)生直通短路現(xiàn)象。
2 3功率MOSFET柵源極問的過壓保護
如果功率MOSFET柵一源極間的輸入阻抗過高，則漏源電壓的正向、負向突變會通過管子內(nèi)部反饋電容crss的密勒(Miller)效應(yīng)耦合到柵極，并產(chǎn)生相當(dāng)高的正向或負向瞬態(tài)電壓UCS過壓脈沖，擊穿浮柵引起管子****性損壞，正向的UCS還會導(dǎo)致元件的誤導(dǎo)通：為了防止管子輸入信號過高，在圖l電路中，可以在VT6柵一源極間并接了一個穩(wěn)壓管。如在輸入信號被限幅或不會太高的應(yīng)用中，該穩(wěn)壓管可以不接。
3結(jié)語
本文提出了一種高頻橋式整流的功率MOSFET驅(qū)動電路。該電路已經(jīng)在實際研制的交交變頻電源中采用。結(jié)果表明，該電路不僅具有頻率響應(yīng)快、線路簡單可靠、靈活等特點，還具有自保護功能。
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