林 為

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528137）

0 引 言

MOS型場效應(yīng)管（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）均屬于電壓控制型開關(guān)器件，具有開關(guān)速度快、功率容量大等優(yōu)點，是各類開關(guān)電源常用的功率開關(guān)器件。這類器件的柵極驅(qū)動電路非常重要。驅(qū)動的好壞直接影響開關(guān)電源工作的性能指標(biāo)（效率）、EMC特性以及可靠性。在開關(guān)電源高頻化、開關(guān)頻率不斷升高（高達(dá)50 kHz甚至100 kHz）的背景下，對驅(qū)動電路和驅(qū)動信號要求更加嚴(yán)苛。

由于采用絕緣柵結(jié)構(gòu)，這類器件的輸入阻抗高，所需的靜態(tài)驅(qū)動功率很小。但是，由于各電極之間存在寄生電容，在開通和關(guān)斷過程中，驅(qū)動電路必須能夠?qū)纳娙葸M(jìn)行快速充電或放電，因而對驅(qū)動電路的驅(qū)動能力有較高要求[2]。例如，器件開通時要求驅(qū)動信號具有陡峭的上升沿，且應(yīng)能提供足夠大的電流對柵源極分布電容進(jìn)行快速充電，確保器件快速開通，同時避免上升沿的高頻振蕩；關(guān)斷時，驅(qū)動電路要求快速的下降沿且能提供盡可能低阻抗的通路供柵源極分布電容快速泄放電荷，確保器件快速關(guān)斷。本文重點關(guān)注器件的關(guān)斷過程。

MOSFET的關(guān)斷特性主要取決于少子復(fù)合機(jī)理。當(dāng)驅(qū)動?xùn)艠O信號為0時，應(yīng)設(shè)法使柵極電荷迅速被抽走，僅僅通過低阻抗通路泄放電荷不足以令開關(guān)器件迅速關(guān)斷。最有效的方法是給柵極信號加上一個反向偏置電壓。柵極反偏電壓越高，開關(guān)器件關(guān)斷越迅速，關(guān)斷時間越短，關(guān)斷損耗越低[3]。因此，為了最大限度減小開關(guān)損耗，MOSFET關(guān)斷時，給柵極加上反向電壓是驅(qū)動電路的主流要求。

1 目前的主流驅(qū)動方式

目前，MOSFET、IGBT的驅(qū)動方式通常有直接驅(qū)動、光耦隔離驅(qū)動、變壓器隔離驅(qū)動以及專用IC驅(qū)動等。

直接驅(qū)動是將PWM信號直接或經(jīng)緩沖放大器后直接送到MOSFET柵極進(jìn)行驅(qū)動，線路簡單。但是，驅(qū)動電路與功率開關(guān)管不隔離，容易產(chǎn)生干擾，存在安全隱患。為了給柵極加反向電壓，必須設(shè)計正負(fù)兩種電源，如圖1所示。

圖1 MOSFET直接驅(qū)動電路

光耦隔離驅(qū)動是將PWM信號經(jīng)光耦隔離傳輸，再經(jīng)放大后送到MOSFET的柵極進(jìn)行驅(qū)動。這種電路比直接驅(qū)動復(fù)雜，但驅(qū)動電路與開關(guān)管隔離，具有抗干擾能力（但抗共模干擾能力較弱）。由于使用了光耦，它的信號延時較大[4]，速度慢（不適用于50 kHz及以上的頻率），同時需要增加懸浮電源，如圖2所示。

圖2 光耦隔離驅(qū)動電路

專用IC驅(qū)動使用專用的集成電路模塊，如TC4420、MIC4452、IR2110等，IC內(nèi)部嵌入了光耦、放大器、過流保護(hù)等部件或模塊，使用方便，電路簡潔，但成本較高。圖3是一種MOSFET驅(qū)動芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，output端可直接驅(qū)動MOSFET。

圖3 一種MOSFET驅(qū)動芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

變壓器隔離驅(qū)動，如圖4所示。Q1為驅(qū)動管，PMW驅(qū)動信號從其基極輸入，N1和N2分別是變壓器的初級和次級，N3為變壓器磁復(fù)位繞組，Q2為需要驅(qū)動的MOSFET。

圖4 MOSFET變壓器隔離驅(qū)動電路

R1為防止柵極電壓高頻震蕩的阻尼電阻（相當(dāng)于圖1的Rg和圖2的R3），R2既是驅(qū)動電路的模擬負(fù)載，也作為MOSFET關(guān)斷時柵極電荷泄放回路。

2 變壓器隔離驅(qū)動電路優(yōu)缺點分析

圖4所示的MOSFET變壓器隔離驅(qū)動電路是一種正激式驅(qū)動電路，Q1關(guān)斷時及關(guān)斷后，變壓器次級回路實際上形成次級繞組電感和Q2G-S分布電容之間的LC阻尼振蕩，如圖5所示（通常變壓器漏感較小，防振鈴電阻R1取值很小，可忽略不計）。

圖5 Q1關(guān)斷時變壓器次級回路的等效電路

Q1關(guān)斷時，儲存在變壓器（勵磁線圈）的電流使N1的電壓反向。此時，次級繞組N2的同名端相對異名端變負(fù)，Cgs電容以初始電流I0向電感L放電，其電壓由+Vm下降到0時（請參照圖6），流經(jīng)L的電流由I0增至最大，R2的電流則由初始值降到0，此時Cgs儲存的能量全部轉(zhuǎn)移到L；之后，L反方向?qū)gs充電，R2電流反向增長，當(dāng)L電流減小到與R2反向電流一樣時，電容充電完成，達(dá)到負(fù)壓最大值-V1；然后，Cgs再次反過來向L放電，電壓（負(fù)壓）逐步上升，直到下一周期開始。由于Q1關(guān)斷時次級有電流通路，去磁電路（圖4中的二極管D和N3）能否導(dǎo)通起作用，將視Cgs負(fù)壓最大值（-V1）對應(yīng)的N3電壓而定。如果對應(yīng)的N3電壓達(dá)到或超過（15+0.7） V，則D導(dǎo)通、去磁電路起作用，此時Vgs將被鉗位在-V1一段時間，直到去磁繞組N3的電流降到0，然后逐步上升到-V2（絕對值下降），下周期開始Cgs兩端的電壓變化曲線如圖6（a）所示。如果對應(yīng)的N3電壓未達(dá)到（15+0.7） V，則去磁電路不起作用，磁化電流通過次級回路進(jìn)行去磁，Vgs直接上升到-V2（絕對值下降），下周期開始，如圖6（b）所示。

圖6 Vgs電壓變化曲線

顯然，Q1關(guān)斷瞬間Cgs初次放電的放電電流對應(yīng)勵磁電流的最大值。在變壓器、R1、R2和Q2相同的情況下，驅(qū)動信號占空比越大，Q1關(guān)斷瞬間的勵磁電流越大，Cgs放電電流越大，電壓下降的速度越快（t1、t2越?。?，負(fù)壓（-V1）越大；反之，占空比越小，G-S電壓下降的速度越慢，負(fù)壓越小，甚至無法令去磁電路導(dǎo)通，將導(dǎo)致MOSFET關(guān)斷速度明顯變慢。仿真結(jié)果也證實這個結(jié)論。

可見，圖4所示的變壓器耦合驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)簡單可靠，能實現(xiàn)驅(qū)動電路和功率主回路隔離，速度快，抗共模能力強(qiáng)，只需單電源即可提供Q2導(dǎo)通時所需的正壓和關(guān)斷時所需的負(fù)壓。但是，該電路存在以下缺陷：（1）隔離變壓器次級需要一個假負(fù)載R2，增加損耗；（2）當(dāng)驅(qū)動信號占空比較?。}寬較窄）時，將導(dǎo)致MOSFET柵極的關(guān)斷速度變慢。文獻(xiàn)[1]提到，不同占空比時，實測的MOSFET關(guān)斷時間toff（驅(qū)動電壓從10 V下降到0 V的時間，相當(dāng)于圖6的t1時間），如表1所示。

表1 不同占空比時toff的變化情況

3 改進(jìn)型MOSFET隔離驅(qū)動電路

如圖7所示，PWM控制信號從Q1基極加入，當(dāng)控制信號為正脈沖時，Q1導(dǎo)通，變壓器繞組Np和Ns的同名端為正，Q3（MOSFET）獲得正向驅(qū)動電壓而導(dǎo)通。此時，Ns異名端為負(fù)，Q2截止，D2導(dǎo)通。驅(qū)動電壓通過MOSFET的G-S極、D2和Ns向電容C充電，極性為左負(fù)右正。當(dāng)驅(qū)動信號為0時，Q1關(guān)斷，儲存在變壓器（勵磁線圈）的電流使Np的電壓反向，此時所有初次級繞組的同名端相對異名端為負(fù)，MOSFET關(guān)斷，D2反偏截止，Q2正偏導(dǎo)通。電容C在MOSFET導(dǎo)通期間充電，獲得的電壓Vc被反向加在MOSFET的G-S之間，柵極電荷經(jīng)過Q2泄放，使MOSFET迅速關(guān)斷。同時，Ns上的反壓也通過R2反向加在MOSFET的G-S之間，促進(jìn)MOSFET關(guān)閉。

圖7 改進(jìn)型驅(qū)動電路示意圖

與圖4的驅(qū)動電路相比，圖7的改進(jìn)型電路有兩個顯著優(yōu)勢：

（1）利用電容C在MOSFET導(dǎo)通期間儲存能量，關(guān)斷時將C兩端的電壓反向加到MOSFET的G-S極形成反偏電壓，可有效克服圖4電路在驅(qū)動信號占空比小的情況下G-S電壓下降速度慢、負(fù)壓偏小而導(dǎo)致MOSFET關(guān)斷速度變慢的問題。在窄驅(qū)動脈沖的情況下，該電路也能確保MOSFET可靠關(guān)斷，減小關(guān)斷損耗。此外，本電路也無需額外設(shè)置負(fù)電源。

（2）電阻R2既起到加速MOSFET關(guān)斷的作用，又不會引起損耗。

4 結(jié) 語

本文從MOSFET驅(qū)動電路的要求出發(fā)，重點分析了傳統(tǒng)MOSFET變壓器隔離驅(qū)動電路在驅(qū)動信號關(guān)斷時的工作過程，指出該電路存在一個明顯缺點：在驅(qū)動信號占空比較小的情況下，Vgs下降速度慢，負(fù)壓偏小，會導(dǎo)致MOSFET關(guān)斷速度變慢，增加損耗。針對這一問題，文章介紹了一種改進(jìn)型驅(qū)動電路，在驅(qū)動脈寬較窄（占空比較?。┑那闆r下，能維持必要的柵極反向偏置電壓，確保MOSFET快速可靠關(guān)斷，減小關(guān)斷損耗。此外，該電路也適用于IGBT開關(guān)器件，可廣泛用于各類開關(guān)電源，包括交直流變換器、變頻器、不間斷電源等領(lǐng)域。