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桥式拓扑结构功率MOSFET驱动电路设计

宣布时间:2010年08月01日 13:08    宣布者:lavida
要害词: MOSFET , 桥式拓扑 , 驱动电路
功率MOSFET以其开关速率快、驱动功率小和功耗高等优点在中小容量的变流器中取得了普遍的应用。当接纳功率MOSFET桥式拓扑结构时,统一桥臂上的两个功率器件在转换历程当中,栅极驱动旌旗暗记会发生振荡,此时功率器件的消耗较年夜。当振荡幅值较高时,将使功率器件导通,从而形告成率开关管直通而破损。现在经常应用的处置赏罚赏罚措施是在MOSFET关断时在栅极施加反压,以削弱振荡的影响,但反压电路却占用空间,同时增添了资源。本文在深刻剖析了MOSFET栅极振荡产活力理基础上,设计了硬件驱动电路。现实剖析和实验效果注解,接纳本文所提出的措施,只需增添较少的器件便能够最年夜水平地榨取振荡。  

栅极驱动旌旗暗记振荡的产活力理  

由功率MOSFET的等效电路可知,3个极间均存在结电容,栅极输入端相当于一个容性群集,驱动电路存在着漫衍电感和驱动电阻,此时的桥式逆变电路如图1所示。以上管开经由历程程为例,当下管V2曾经完全关断时,栅源极同电位。在上管开经由历程程中,设上管守旧时间为ton,直流母线电压为E,由于开经由历程程时间很短,其漏源极电压迅速由直流母线电压降低到近似零,相当于不才管V2漏源极间突加一个电压E,组成很高的dv/dt。该dv/dt的数值与上管V1的守旧速率有关,可近似以为  

   


图1半桥式拓扑的等效电路  

此时虽然下管曾经完全关断,然则该dv/dt因结电容Cgd2的存在而对栅源极状态发生影响。  

该dv/dt发生的位移电流为  


  
不才管V2栅极发生的电压为  


  
对其阻拦拉氏反变换可得  


  
式中:

  
由上式可知,当上管守旧时会不才管栅极发生阻尼衰减振荡旌旗暗记,如图2所示。同理,当上管关断、下管守旧时,上管栅极也异常会发生振荡,只是相位与前者相反,其幅值可以体现为  


  
由于振荡频率很高,使MOSFET处于高频开关状态,发生很年夜的开关消耗。更严重的是若振荡的幅值到达MOSFET的门槛电压,下管将守旧,而上管正处于导通状态,此时将组成曲折功率管的直通情形,组成MOSFET的破损。以下情形可以经由历程调剂驱动电路参数加以榨取。  


图2栅极振荡滋扰实测波形  

驱动电路的刷新  

减小漫衍电感

若取极限情形,驱动电路的漫衍电感为零,则驱动旌旗暗记由式(3)简化为以下形式  


  
对其阻拦拉氏反变换得  


  
式中,S=Rg2Cgs2。  
由上式可知此时振荡曾经酿成指数衰减形式,在t=0时为最年夜值  


  
由上述剖析可知,漫衍电感主要影响驱动旌旗暗记振荡的暂态体现形式,若尽能够减小漫衍电感,可使驱动旌旗暗记由阻尼振荡酿成指数衰减,便可扫除MOSFET的高频开关消耗。同时亦可一定水平曲折降振荡幅值。是以在设计电路时应当尽能够使驱动芯片靠近MOSFET,并减小闭合回路所围的面积。如用导线毗连应当应用双绞线或应用同轴电缆,以尽能够减小漫衍电感。  

守旧和关断时间的合营与调剂

由式(5)和式(8)可知,MOSFET的守旧时间是影响驱动旌旗暗记振荡幅值的主要因素,呈正比例关系。若适当增年夜器件的守旧时间,便可在很年夜水平上减小振荡幅值,是以推敲在驱动芯片与MOSFET栅极间加设缓冲电路,即人为串接驱动电阻,在MOSFET栅源极间并联电容以延伸栅极电容的充电时间,降低电压变换率。而MOSFET的关断时间与守旧时间存在着一定的抵触,若单纯增年夜守旧时间,一定也增年夜了关断时间,而从减小去世区时间角度,欲望关断时间短一些,是以推敲调剂MOSFET的守旧和关断时间,在驱动电阻上反并联快恢复二极管,改变MOSFET守旧和关断的时间常数,在守旧时为减小dv/dt的应力,增添栅极的充电时间,而关断时间应短一些,以应用较短的去世区时间减小输入波形的谐波含量,电路如图3所示。经由历程以上措施,可以实现在增年夜守旧时间,减小电压变换率的同时,保证了较短的关断时间。  


图3刷新后驱动电路  

现实上,守旧时间越长dv/dt应力越小,振荡发生的滋扰效果就越不显着,然则由MOSFET开关消耗近似公式  


  
可知,守旧与关断时间越长,MOSFET的开关消耗越年夜,另外守旧时间还受使命频率的限制。  
缓冲电路参数通常的拔取准绳为  


  
式中:f为MOSFET的使命频率。  

由于MOSFET通常使命在几十kHz的开关状态,其充放电电流由栅源极电容和驱动电压决议,若驱动电阻选的很年夜,使得电路消耗过年夜,倒霉于驱动电路的安然运转,是以要综合推敲电阻、电容的取值。浅易驱动电阻的阻值为几十8,栅源极并联电容的取值以式(10)为参考。  

其它措施

推敲到驱动旌旗暗记振荡主要涌现在桥臂一侧MOSFET的关断阶段,即栅源极端零电位时,由PNP三极管的使命原理,在驱动芯片与驱动电阻之间外接PNP三极管,当驱动芯片供应高电寻常浅易,三极管不导通,对电路逻辑不组成影响。在驱动芯片供应低电平历程当中,当未发生振荡时,三极管基极与集电极电位均近似为零,三极管不使命;当MOSFET栅源极发生振荡时,三极管集电极电位为正,将饱和导通,振荡电压经反并联二极管和三极管迅速泄放,防止了MOSFET误导通。同时在栅源极间并联稳压管,进一步限制栅源极过压。事实刷新后驱动电路如图3所示。  
图4是使命频率f为40kHz,MOSFET未加缓冲电路的栅极驱动旌旗暗记实测波形,此时驱动芯片直接与MOSFET的栅极相连,由于没有推敲漫衍电感的作用,芯片与MOSFET摆放职位相对较远。现实测得驱动电路漫衍电感L为135nH,驱动电阻近似为零,从图4中可以看出,刷新前振荡的幅值很年夜,招致MOSFET发烧严重,直至过热破损,逆变器基本没法正常使命。驱动电路刷新后,现实测得漫衍电感L为23.5nH,驱动电阻Rg取为30Ω,并联电容C取为0.01μF。实测栅极驱动波形如图5所示,可以看出刷新后的电路很好地处置赏罚赏罚了栅极驱动旌旗暗记的振荡效果。  


图4刷新先驱动旌旗暗记波形  


图5刷新后驱动旌旗暗记波形  

结论  

桥式拓扑结构功率MOSFET在开关转换历程当中发生的直通情形是由于结电容、驱动电路的漫衍电感和开关时发生较高的dv/dt在栅极发生振荡组成的。在剖析了栅极驱动旌旗暗记的振荡机理后,阻拦了驱动电路的优化设计,在栅源极增添了缓冲电路。与外加负压电路和有源驱动电路相比,该电路具有完成质朴、安然可靠的特点。接纳该驱动电路完成的镇流器,耐久运转并未发生过热和破损MOSFET的情形。
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onecrazy 揭晓于 2018-8-24 09:59:54
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