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功率MOSFET管驱动变压器设计

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  • 更新日期:2012-10-08 20:57
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详细介绍
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,并通过仿真和试验验证了这套计算方法的正确性。

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,并通过仿真和试验验证了这套计算方法的正确性。

关键字:  功率MOSFET管驱动变压器开关电源

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1[1, 3]。
与漏-源短路条件下小信号输入电容Ciss的关系:
 Ciss=Cgs+Cgd                                      (1)
与栅-源短路条件下小信号输出电容Coss的关系:
 Coss=Cds+vgd                                      (2)
与小信号反向转换电容(反馈电容)Crss的关系:
 Crss=Cgd                                     (3)
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构成的闭合回来释放,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)=0                                                              (4)
由于R3>>R1,稳态值  ;          (5)
式中,U1—变压器输出电压,V
时间常数τ=(R1//R2)×Ciss≈R1Ciss;                             (6)
暂态过程:
栅极电压:
    (7)[#page#]

栅极电流:   (8)
栅极电阻R3电流:i1(t)≈0                                          (9)
栅极串联电阻R1电流:                (10)
电路瞬时功率:
               (11)
上升时间:tr=2.2τ=2.2R1Ciss                                         (12)
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。
关断过程即可看做零输入响应过程,栅极电压U1,主要元件依然是R1,Ciss(由于R3>>R1,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]:
     (13)

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:                        (14)
通过分析,由式(12)可知,减少上升时间tr的办法是减少R1,但式(13)(14)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:
                (15)
传递函数:  (16)
特征方程:LsCiss·S 2+R1Ciss·s+1=0                          (17)
特征方程根:(极点)(18)
由式(18),对于阶跃输入[5]
1)时,系统临界振荡。此时,
Ls=0.25CissR12                                   (19)
2)时,系统振荡收敛。此时,
Ls>0.25CissR12                                (20)
此时,自然频率(无阻尼震荡频率):
                                 (21)

阻尼比:                                                 (22)

阻尼角:                                        (23)

             (24)

3)时,系统不振荡。此时,
Ls<0.25CissR12                                   (25)
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。[#page#]
电路开通动态分析:
由式(6),时间常数τ≈R1Ciss=10×21000×10-12=2.1×10-7s;
由式(7),栅极电压:

由式(10),栅极串联电阻R1电流:

由式(11),电路瞬时功率:

由式(12),上升时间:tr=2.2τ=4.62×10-7s
开通瞬态过程(0~1μs)仿真结果如图6:
驱动变压器设计参数:
由式(13),变压器输出电流有效值:

由式(14),变压器功率:
P=I·U1=0.095×12=1.14W
由式(19),系统临界振荡的变压器漏感:
Ls=0.25CissR12=0.25×21000×10-12×102=5.25×10-7H=0.525μH
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(21)-(24),对不同Ls值进行开通过程(0~5μs)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0.525μH)时,系统振荡。如果Ls过大(如4μH),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0.55μH,外形尺寸20.4×13.3×7。
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.2004:82,84
[2] 丁道宏 电力电子技术[M].北京,航空工业出版社.1999:280
[3] Muhammad H.Rashid 电力电子技术手册[M].北京,机械工业出版社.2004:70
[4] 秦曾煌 电工学[M].北京,高等教育出版社.2002:177,183,197
[5] 胡寿忪 自动控制原理[M].北京,科学出版社.2001:80,83

 
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