功率MOSFET管驱动变压器设计说明

.功率MOSFET管驱动变压器设计导读摘要：对具有驱动变压器的功率MOSFET管驱动电路的动态过程进行了分析,推导了驱动变压器设计参数绕组电流有效值,变压器功率的计算方法,定量分析了变压器漏感和电路杂散电感对开通过程的影响,并通过仿真和试验证了这套计算方法的正确性。1 引言作为开关电源的开关器件,功率MOSFET管具有开关速度快、工作频率高的特点,适用于高频开关电路。此外,在并联使用时,由于MOSFET管具有正温度系数,可以自动均流,无需均流电路,方便扩流,这也是目前其他功率开关器件不可替代的优点1。为了加速开通,减少损耗,对MOSFET管的驱动电路的基本要求是内阻要小,驱动电压尽量高但不能超过栅-源击穿电压；为了加速关断,应给输入电容提供低阻放电通道；为了抑制高频振荡,栅极引线尽量短,减少线路分布参数；为了防止静电感应导致栅极电压上升引起误导通,栅极不允许开路,大功率MOSFET管截止时,栅极最好施加负电压2。MOSFET管的驱动电路有多种形式,可以用TTL电平直接驱动,但更多采用隔离驱动,在驱动信号输出端与MOSFET管栅极之间用光耦或磁耦实现与主电路电隔离。驱动变压器是常用的磁耦元件,起到传输驱动信号和功率的作用。设计合理的驱动变压器,不仅可以提高MOSFET管开关性能,而且体积小、重量轻,成本低。2 MOSFET管内部电容与变压器驱动栅极电路2.1 内部电容MOSFET管内部电容,也称极间电容,是栅极、源极、漏极之间的寄生电容。开关电源最常用N沟道增强型MOSFET管3,内部电容分别为：栅-源极间电容Cgs,栅-漏极间电容Cgd,漏-源极间电容Cds,如图11,3。与漏-源短路条件下小信号输入电容Ciss的关系：Ciss=Cgs+Cgd与栅-源短路条件下小信号输出电容Coss的关系：Coss=Cds+Cgd 与小信号反向转换电容反馈电容Crss的关系：Crss=Cgd 驱动电路的任务就是针对MOSFET管开通、关断过程中的寄生电容进行充放电。需要说明的是,内部电容并非常数,会随着开通、关断过程中极间电压的变化而变化,使得开通、关断的动态过程比较复杂3,但是,对于栅极驱动,主要考虑上升、下降时间内短于整个动态过程时间的驱动波形,可以把Ciss看做常数进行分析。2.2 MOSFET管变压器驱动栅极电路图2为变压器驱动栅极电路,是驱动电路的最后部分。变压器T1提供驱动信号,经由保护二极管D1、栅极串联电阻R1向栅极输入电容Ciss充电,当栅-源极间电压Vgs大于门限开启电压VTh,MOSFET管导通,进而进入饱和区,完成开通过程；当变压器驱动信号低电平时,三极管Q1导通,栅极电容的电荷迅速通过R1,Q1构成的闭合回路释放,达到快速关断的目的。电阻R3防止栅极开路,稳压管D2限制信号幅度不能超过栅-源击穿电压,起到保护作用。3 变压器设计与试验为了简化计算,将变压器视为方波脉冲电压源,MOSFET管开通过程的等效电路如图3。开通过程就是零状态响应过程,三要素4,5：初始值uciss=0 由于R3R1,稳态值； 式中,U1变压器输出电压,V时间常数=CissR1Ciss； 暂态过程：栅极电压： 栅极电流： 栅极电阻R3电流：i10 栅极串联电阻R1电流：电路瞬时功率： 上升时间：tr=2.2=2.2R1Ciss 忽略三极管Q1饱和导通管压降0.2V,MOSFET管关断过程的等效电路如图4。关断过程即可看作零输入响应过程,栅极电压U1,主要元件依然是R1,Ciss由于R3R1,忽略电阻R3,基本是开通的逆过程,因此,变压器输出电流有效值4：式中,I变压器输出电流有效值,A；f驱动信号频率,Hz变压器功率：通过分析,由式可知,减少上升时间tr的办法是减少R1,但式表明,代价是增大了输出电流有效值和变压器功率；提高频率和驱动电压将导致电流有效值和变压器功率增加。线路分布参数包括变压器漏感,内阻r,以及导线引起的寄生电感等,随着工作频率提高,分布参数影响逐渐明显。相对于内阻r,分布电感对动特性影响更为显著,考虑变压器漏感和线路杂散电感Ls后MOSFET管开通过程的等效电路如图5忽略电阻R3。系统时域方程： 传递函数：特征方程：LsCissS2+R1Cisss+1=0 特征方程根：极点由式,对于阶跃输入51时,系统临界振荡。此时, 2时,系统振荡收敛。此时, 此时,自然频率无阻尼震荡频率： 阻尼比： 阻尼角： 3时,系统不振荡。此时, 理想情况下, Ls=0,系统即退化成图3所示的一阶系统。试验：要求设计驱动变压器,变比1:1,驱动电压12V,开关频率30kHz,MOSFET管型号IXTK15P,参数：trr=150ns；Ciss=7000pF；Qg=240nC,3只并联使用,此时,Ciss=21000pF。栅极电路如图2。电路开通动态分析：由式,时间常数R1Ciss=102100010-12=2.110-7s；由式,栅极电压：由式,栅极串联电阻R1电流：由式,电路瞬时功率：由式,上升时间：tr=2.2=4.6210-7s开通瞬态过程仿真结果如图6：驱动变压器设计参数：由式,变压器输出电流有效值：由式,变压器功率：P=IU1=0.09512=1.14W由式,系统临界振荡的变压器漏感：Ls=0.25CissR12=0.252100010-12102=5.2510-7H=0.525H为了说明变压器漏感和线路杂散电感Ls对驱动的动态过程的影响,针对本设计,根据式-,对不同Ls值进行开通过程仿真,结果如图7。当变压器漏感以及分布电感Ls超过临界值如0.525H时,系统振荡。如果Ls过大如4H,一方面会使得上升时间延迟,另一方面,栅-源极间电压超调量过大,可能将会引起MOSFET管开通过程不稳定,甚至危及管子安全。因此,期望Ls小些好,所以,尽量减少变压器漏感和引线长度。驱动变压器功率、电流都很小,在工程设计中,考虑留下余量,应该取大一些磁芯,这样做的另一个好处是,减少了变压器匝数,减少漏感量。为了进一步减少漏感,初、次级绕组导线并行绕制。此外,考虑到初次级会产生很高的电位差,应保证初次级绕组导线足够的绝缘强度。设计的驱动变压器：磁芯PC44 EPC13,初级匝数26,次级匝数26,磁感应强度0.25T,漏感0.55H,外形尺寸20.413.37。实验表明,驱动变压器工作稳定可靠,损耗低,驱动波形上升沿、下降沿陡峭,无过冲现象,与仿真结果接近,满足设计要求。驱动变压器输出驱动波形如图8。4 结论1驱动电路的任务就是针对MOSFET管开通、关断过程中的寄生电容进行充放电。驱动变压器是常用的磁耦元件,起到传输驱动信号和功率的作用；2为了加速开通,减少损耗,对驱动电路的基本要求是内阻要小,但代价是增大了驱动变压器输出电流和功率；3驱动变压器输出电流和功率还与开关频率和驱动电压有关,并随着频率提高或电压提高而增大。4为了驱动过程快速、稳定、安全可靠,抑制高频振荡,尽量减少变压器漏感和引线长度。参考文献1张占松 开关电源的原理与设计M.北京,电子工业出版社.2004:82,842 丁道宏 电力电子技术M.北京,航空工业出版社.1999:2803Muhammad H.Rashid 电力电子技术手册M.北京,机械工业出版社.2004:704 秦曾煌 电工学M.北京,高等教育出版社.2002:177,183,1975 胡寿忪 自动控制原理M.北京,科学出版社.2001:80,83.