功率MOSFET串联驱动电路设计

技 术 创 新 中文核心期刊 《微计算机信息》(嵌入式与 SOC)2008年第 24卷第 1-2期 360元/年 邮局订阅号:82-946 《现场总线技术应用 200例》 电子设计 功率MOSFET串联驱动电路设计 Design of driver circuit for series connection power MOSFETs (郑州大学)李海涛 臧振刚 刘 平 LI HAITAO ZANG ZHENGANG LIU PING 摘要:本文分析了功率 MOSFET对驱动电路的要求,对电路中的正弦波发生电路,信号放大电路和两路隔离输出变压器进行 了设计。仿真和试验结果了所设计驱动电路的可行性。 关键词:MOSFET;串联;驱动电路;正弦波 中图分类号:TN702 文献标识码:B Abstract:This paper analyzes the requirements of driver circuit for power MOSFET, and designs the sine wave generating circuit,sig- nal amplification circuit and the transformer with two isolated outputs. Simulation and experimental results show the feasibility of the driver circuit. Key words:MOSFET,series connection,driver circuit,sine wave 文章编号:1008-0570(2008)01-2-0278-02 1引言 随着电力电子技术的迅速发展,功率 MOSFET[1]高频性能 好、输入阻抗高、驱动功率小、驱动电路简单等优点在功率射频 和电源领域得到了广泛的应用。由于单只 MOSFET的有限容 量,面临着多只MOSFET的串联或者并联的扩容问题。因此,对 于多只功率 MOSFET串联来说多路输出的驱动电路设计就显 得很有必要,然而功率 MOSFET的直流伏安特性、极间电容、温 度特性等对驱动信号的影响却非常重大。为此,本文提出了两 个功率 MOSFET串联工作在 C类状态 1MHz频率下的驱动电 路设计。 2 MOSFET的输入阻抗和栅极电流 MOSFET的直流输入阻抗特别高。当栅源极电压为 ( 为 栅极静态工作电压)时,栅极只流过纳安数量级的电流,一旦栅 极电压建立起来,栅极的驱动电流可以忽略不计。 然而在栅源极和栅漏极之间均有一个不能忽视的电容。图 1是 MOSFET的内部电容,在其内部各极间的极间电容分别为 。 图1 MOSFET的内部电容 若栅极的交流输入电压为vi,由于漏极的输出电压为 (Av为交流放大倍数),所以Crss两端的电压为 。 因此,流过Crss的电流是只加vi时的1+Av倍。 因此,如果从栅极端看Crss,看到的是具有1+Av倍电容量的电 容。那么,源极接地放大电路的输入电容Ci就为 。 为了使工作在 C类状态下的 MOSFET能够较好的导通或 者关断,就需要较大的电流驱动栅极电压的上升或下降。其栅 极电流大小可用下面式子估算: 3电路原理设计及仿真 3.1驱动电路及原理 图2多路输出正弦波驱动电路原理图 3.1.1正弦波发生电路 如图 2所示,正弦波信号由克拉泼振荡电路产生,R1,R2, R3,R4共同决定振荡电路的静态工作点。回路的总电容为 由于 则 所以振荡频率 反馈系数 3.1.2信号放大电路 因为振荡器产生的信号功率较小,不足以直接驱动 MOS- FET,所以必须对其进行功率放大,本论文采用两级放大电路分 李海涛:硕士研究生 278- - 邮局订阅号:82-946 360元/年 技 术 创 新 电子设计 《PLC技术应用 200例》 您的论文得到两院院士关注 别进行电压和电流的放大。R5,R6,R7,R8,R9共同决定共射放大 电路的静态工作点,R8采用 1K欧姆的可变电阻,对驱动电路 的输出电压的幅度可以方便的进行控制。R10决定了射极跟随 器的静态工作电流。 3.1.3变压器的设计 从振荡器产生的信号经过电压和电流的放大后,经过变压 器的耦合产生多路隔离的正弦信号。 设驱动电路输出电压幅度为 ,输出功率为 P0,绕线电流 密度为 D,最大磁感应强度为 Bmax,磁芯有效面积为 Ae,骨架绕 组面积为 Ac,则 初级匝数为: 3.2电路主要参数的选择 电源电压 VDC=12V,最大输出电压 ui=3V,频率 f=1MHz,输 出功率为 10W,为防止磁饱和,在1MHz取 Bmax=100G,取磁芯有 效面积为Ae为 0.5cm2,D=400c.m/A。由此计算如下参数: 有经验取振荡器的发射极静态电流 =1mA,静态电压 =1V,则取 , 根据经验取 ,取 又 ,所以取 综合考虑晶体管工作状态,取 对于振荡回路,选取 对于信号放大电路,取 Q2的静态工作电流为 1mA~2mA, 其栅极静态电压取为5V,可以计算 R8为1K的可调电阻,用来控制输出幅度的大小。取 R10=50K。 变压器初级匝数 取初级匝数和两路次级匝数均为 5匝。 使用 saber仿真情况如下: 当取 R8为 600Ω时,两路输出信号如图3所示: 图3驱动电路两路输出的电压波形 从仿真结果中读出数据,两路输出信号幅度均为4.62V。 从上图可以明显看出,两路隔离的输出信号在相位和幅度 方面基本上完全一致。 4实验验证 试验线路如图所示,Q1采用 2SC1008,Q2和 Q3均采用 2SC2594,C8和 C9均为 4700pF的陶瓷电容。两路输出电压波 形如图 4所示: 图4实验线路的两路输出电压波形 从示波器中读出数据,第一路输出和第二路输出电压均为 Vmax=2.56V,Vmin=-2.48V。 调整 R8的大小,可以得到幅度在 0.6V和 4.2V之间变化的 输出正弦波信号,完全满足设计要求。 采用此电路,成功驱动了两个 IRF630串联均压电路,在实 验中得到了输出幅度为 124V的正弦信号,其功率大小为 137.3W,取得了良好的效果。 本文作者创新点:面对着 MOSFET扩容的问题,设计一种 串联驱动电路就显得很有必要,本文设计的驱动电路,专门应 用于 MOSFET串联扩容,能够方便控制输出幅度的大小,并能 够成功驱动输入电容和反馈电容较大的功率MOSFET。通过电 路的计算机仿真和实验实测达到了较好的设计效果。 参考文献: [1]曹香凝，汪东旭，严利民.直流开关电源的研究[J]微计算机信 息,2005，3:130-131. [2]铃木雅臣，著，彭军，译.晶体管电路设计(下)，科学出版社. [3]童诗白，华成英.模拟电子技术基础，高等教育出版社，第三版. [4]曾兴雯，刘乃安，陈健.高频电路原理与分析，西安电子科技大 学出版社，第三版. 作者简介:李海涛(1981-),男,河南平顶山人,郑州大学信息工程 学院硕士研究生,主要研究方向为反馈控制技术;藏振刚 (1982-),男,河南漯河人,郑州大学信息工程学院硕士研究生,主 要研究方向为功率射频;刘平(1957-),男,河北临漳人,郑州大学 信息工程学院教授,博士生导师,研究员级高级工程师,研究方 向为电力电子技术,控制技术,等离子体应用技术,射频技术。 Biography:Li Haitao (1981- ), male, Pingdingshan, Henan province, School of Information Engineering, Zhengzhou Univer- sity, master, research on feedback control technology; Zang Zhengang(1982- ), male, Luohe, Henan province, School of In- formation Engineering, Zhengzhou University, master, research on power radio frequency; Liu Ping(1957- ), male, Linzhang, Hebei province, School of Information Engineering, Zhengzhou Universi- ty, professor, doctor tutor, research on power electronics, control technology, plasma technology, radio frequency technology. (450001河南郑州 郑州大学信息工程学院)李海涛 臧振刚 刘平 通讯地址:(450001河南 河南郑州市科学大道 100号郑州大 学信息工程学院办公室)李海涛 (收稿日期:2007.9.10) (修稿日期:2007.12.10) 279- -