（四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065）

1.引言

功率場效應(yīng)管是一種多子導(dǎo)電的單極型電壓控制器件，它具有開關(guān)速度快、輸入阻抗高、驅(qū)動功率小，熱穩(wěn)定性好、無二次擊穿、安全工作區(qū)寬等特點。由于它是單極性的器件，依靠多數(shù)載流子導(dǎo)電，沒有少數(shù)載流子的存儲效應(yīng)，與關(guān)斷時間相聯(lián)系的存儲時間大大減小，因此它的開通與關(guān)斷受到極間電容的影響，與極間電容的充放電情況有緊密聯(lián)系。由于不同驅(qū)動電路驅(qū)動能力的不同，輸入驅(qū)動波形受到的影響也有大有小，在這種情況下，由于MOS管的關(guān)斷不夠徹底，因此開關(guān)性能就不能達到最佳狀態(tài)。

2.參數(shù)原理

受功率MOSFET結(jié)構(gòu)影響，功率MOSFET內(nèi)寄生著兩種類型的電容：與結(jié)構(gòu)有關(guān)的柵源電容Cgs和柵漏電容Cgd；另外一種是與PN結(jié)有關(guān)的漏源電容Cds，等效電路如圖1所示。

圖1 極間電容分布圖

各寄生參數(shù)有如下定義：

輸入電容：Ciss=Cgs+Cgd；

輸出電容：Coss=Cds+Cgd；

反饋電容：Crss=Cgd；

常用N溝道增強型MOSFET開關(guān)管開通時間Ton分為延遲時間Td和上升時間Tr兩部分，Ton與功率MOSFET的開啟電壓Ugs(th)和輸入電容Ciss有關(guān)，在高頻環(huán)境下，Ciss的影響尤為突出，并受到信號源上升時間和內(nèi)阻的影響。關(guān)斷時間Toff可分為存儲時間Ts和下降時間Tf兩部分，Toff則由功率MOSFET漏源電容Cds和負(fù)載電阻決定。

3.實驗測試

3.1 推挽式直接驅(qū)動

借助常用的N溝道增強型MOSFET IRF840進行實驗測試，IRF840典型參數(shù)如下：

Vgs=5V Vds=25V f=1.0MHZ

Ciss=832pF Coss=131pF Crss=17pF

驅(qū)動電路選擇典型推挽式直接驅(qū)動，PWM波形由單片機直接產(chǎn)生，加入推挽式驅(qū)動輸入端。兩三級管分別選用9014和9015，電路搭建成如圖2所示。

圖2 實驗電路

在這種驅(qū)動條件下實驗，通過示波器測量，可測得驅(qū)動未加在MOSFET柵源極之間和加在柵源之間的波形分別如圖3和圖4所示。

圖3 原始波形

圖4 受影響波形

由圖對比可知，驅(qū)動加入MOSFET后，在開通時間內(nèi)，由于極間電容效應(yīng)，導(dǎo)致驅(qū)動波形畸變，上升時間增大，這種影響來自于MOSFET極間電容充電時間的滯后。從圖中可以看出，MOSFET關(guān)斷瞬間，開關(guān)管對驅(qū)動有一個反充電過程，導(dǎo)致短暫的負(fù)壓出現(xiàn)，極間電容對外實現(xiàn)放電過程。

3.2 TL494芯片驅(qū)動

TL494是一種專用PWM控制驅(qū)動芯片，具有一定的驅(qū)動能力，在開關(guān)電源中應(yīng)用廣泛。在滿足頻率要求的情況下，通過TL494直接驅(qū)動IRF840，電路如圖5所示。

圖5 實驗電路

在這種驅(qū)動條件下，原始驅(qū)動波形和受影響畸變波形如圖6和圖7所示。

圖6 原始波形

圖7 受影響波形

從兩幅圖中可以看出，由于極間電容影響，對原始驅(qū)動波形有明顯的畸變效應(yīng)，使得驅(qū)動上升和下降時間都得以延長。

3.3 光隔離芯片TLP250驅(qū)動

TLP250芯片是TOSHIBA公司生產(chǎn)的一款集成光耦合隔離芯片，由于它能夠起到很好的隔離作用，因此，預(yù)測它對驅(qū)動波形起到很好的保護作用，實驗電路如圖8所示。

圖8 實驗電路

在光隔離芯片的驅(qū)動下，由單片機產(chǎn)生PWM波形輸入TLP250芯片，通過芯片輸出再轉(zhuǎn)到MOSFET，由示波器測得原始波形和受影響畸變波形分別如圖9和圖10所示。

圖9 原始波形

圖10 受影響波形

從圖中可以看出，由于極間電容影響，驅(qū)動波形發(fā)生畸變，上升時間延長，且在下降沿結(jié)束過程中，有短暫的振蕩。這種振蕩是由于光隔離輸出與極間電容組成的回路形成了振蕩回路，它使開關(guān)管的關(guān)斷時間延長，這種影響是不利的。

4.結(jié)論

上面三組實驗，分別由不同驅(qū)動對MOSFET管進行驅(qū)動測試，可以明顯的看到三組實驗的差別，第一組實驗驅(qū)動受到極間電容的影響較其他兩種要明顯的多，不僅上升時間延長較多，而且在關(guān)斷的過程中會出現(xiàn)短暫的反壓過程，這種過程不管是對開關(guān)管的開斷特性，還是對驅(qū)動電路都有嚴(yán)重不利的影響，開通上升時間過長，會導(dǎo)致MOSFET動態(tài)損耗增大，而發(fā)壓則會導(dǎo)致驅(qū)動電路損壞。第二組實驗，由于TL494本身有一定驅(qū)動能力，因此，極間電容對驅(qū)動的影響相對較小，驅(qū)動效果稍好，只是開通和關(guān)斷時間都得到延長，會增加動態(tài)損耗。第三組實驗，采用光隔離芯片，能夠很好的抑制極間電容對原始驅(qū)動波形的影響，這種驅(qū)動效果較好，特別是在高效開關(guān)電源和逆變電源中都得到了廣泛的應(yīng)用，也是目前電源技術(shù)的主導(dǎo)方向。

[1]曲學(xué)基,王增福,曲敬鎧.新編高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[2]康光華.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分(第5版)[M].北京:高等教育出版社,1998.

[3]王鎖庭,許素玲.電力電子技術(shù)與實訓(xùn)[M].北京師范大學(xué)出版社,2008.

[4]王兆安,劉進軍.電力電子技術(shù)(第5版)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

[5]楊貴恒,張瑞偉,錢希森等.直流穩(wěn)定電源[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010.

[6]徐遠根,劉敏,喬恩明.現(xiàn)代電力電子元器件識別、檢測及應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2010.