【導讀】為了滿足當前MOSFET在工業(yè)上的要求,本文就驅動電路的保護提出一種MOSFET高頻載波橋式整流驅動電路。該電路不須懸浮電源,實現(xiàn)高低壓隔離。具有頻率響應快、線路簡單可靠、控制靈活等特點,在故障狀態(tài)下具有自保護功能。
1、MOSFET對驅動電路的相關要求
功率場效應晶體管具有開關速度快,驅動功率小,安全工作區(qū)寬,輸入阻抗高等優(yōu)點,是一種理想的壓控器件。功率MOSFET具有正的溫度系數(shù),且輸入阻抗極高,但柵源電容Ci 較大,為提高MOSFET開關速度,提高柵極驅動電壓的上升沿和下降沿的陡度,在設計驅動電路時,必須保證驅動電路有較小的輸出阻抗。另外,驅動電路是聯(lián)系強電與弱電的紐帶,在電路工作中,強電與弱電完全隔離,故應有隔離強電和弱電的功能。MOSFET的柵源電壓最大只有±20V左右,門檻電壓Ugs一般為2~6v,當柵源電壓Ugs ≥10V時MOSFET就進入飽和導通狀態(tài)。為了保證可靠觸發(fā),盡可能采用強驅動方式。
根據上述MOSFET對驅動電路的要求,下面提出了一種適于MOSFET的自保護驅動電路。該電路已在直流斬波器中應用,實踐證明其性能優(yōu)良。
2、驅動電路及工作原理
圖1為高頻載波橋式整流驅動電路原理圖。它由高頻脈沖振湯器,晶體管 ,VT1、VT2、VT3、VT4構成互補電路;脈沖變壓器,橋式驅動整流電路及CD4528或CD4538單穩(wěn)態(tài)電路構成的保護環(huán)節(jié)組成。
G1門電路和2MHz的晶振構成振蕩器,經D觸發(fā)器CD4013分頻后得到兩路反相脈沖。該脈沖作為G2,G3的輸入信號,當控制端Vi為高電平時,G2,G3輸出的反相脈沖分別驅動由VTl, VT2和VT3,VT4組成的互補電路。任一時刻,VT1、VT3導通,VT2、VT4截止,或者相反。因此變壓器原邊得到一交變對稱的方波信號。為提高MOSFET的開關速度,晶體管與電源間不接限流電阻。變壓器原邊的方波電壓幅值即為電源電壓E,該方波電壓經變壓器耦合,在其副邊得到與原邊相似的方波。此方波經VD1 ~ VD4組成的整流橋電路整流后即可接在vMT的柵極直接驅動MOSFET。圖2示出該電路各點的輸出波形。
當控制信號Vi為低電平時,振蕩器輸出信號被封鎖,門G2,G3同時輸出高電平,于是晶體管VT2、VT3處于截止狀態(tài),變壓器原邊不能形成電流通路,因此副邊輸出電壓為零,MOSFET關斷。VT5的作用是將MOSFET柵源結電容上貯存的電荷迅速防掉,加速MOSFET的關斷過程。
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3、幾個值得注意的問題和自保護的實現(xiàn)
3.1 CMOS石英晶體振蕩器
本電路選用了有CMOS集成電路和石英晶振構成的振蕩器。該電路除了結構簡單、輸出頻率穩(wěn)定和工作可靠外,考慮在滿足MOSFET對柵極驅動電平要求的前提下,可使整個電路采用單一的+15V電源,因而簡化了電路。圖1中振蕩器由反相器G1,2MHz晶振及電容Ca,Cb構成。其中Rf的作用是為反相器提供一個偏置,使反相器在線性放大狀態(tài)。晶振及電容Ca,Cb組成的反饋網絡,當電路振蕩頻率接近石英晶體的固有諧振頻率時,電路維持振蕩,此時調整Ca,Cb可微調振蕩頻率。CD4013為具有復位和置位的雙D觸發(fā)器,主要用于對振蕩器輸出信號的分頻,并且通過同相和反相輸出端輸出兩路反相的脈沖信號。在振蕩電路中,R廠的取值非常重要,阻值過大或過小都將導致電路工作極不穩(wěn)定,特別是起振困難。一旦電路停振,必然引起后續(xù)電路元件直通損壞。通常Rf的取值范圍在100K-100M。
3.2 晶體管互補驅動電路的保護
為提高MOSFET的開關速度,在變壓器原邊的互補晶體管電路中,晶體管與電源間是不加任何電阻限流的。當振蕩器因故停振時,若G2輸出高電平,G3輸出低電平,則VT1,VT3同時導通,使電源對地短路;若G2輸出低電平,G3輸出高電平,則VT2,VT4同時導通,也將電源對地短路。因此必須采取一定的保護措施。這里采用一個CD4528或CIM538雙單穩(wěn)態(tài)集成觸發(fā)電路構成的保護電路。在CIM528或CD4538每個單穩(wěn)態(tài)電路中,有兩個可再觸發(fā)的輸入端x1或X2,其真值表如下表。
上升沿觸發(fā)時,觸發(fā)信號從A端輸入,B端接高電平;下降沿觸發(fā)時,則觸發(fā)信號從B端輸入,A端接低電平[D是復位端,低電平有效。其保護原理是,當振蕩器因故停振時,從A端輸入的觸發(fā)信號為一不變的直流電平,由于這時B端和復位端CD都為高電平,從而保證了其反相輸出為高電平。該信號同時加至分頻器CD4013的4和6腳,使分頻器兩個輸出端也都為高電平,從而可使VT2,VT3 截止,于是就保證了驅動晶體管互補電路不會發(fā)生直通短路現(xiàn)象。
3.3 MOSFET柵源問的過電壓保護
由于MSFET的柵源極間輸入阻抗很高,所以漏源電壓的正向、反向突變會通過管子內部的反饋電容Crss的Miller效應耦合到柵極,并產生相當高的正向或反向瞬態(tài)電壓Vgs過壓脈沖,沖擊浮柵引起管子永久性損壞,正的Vgs還會導致元件的誤導通。為了防止管子輸入信號過高,本電路在Vmt的柵源間并聯(lián)一個穩(wěn)壓管Vdw 在輸入信號不太高或輸入信號被限幅的應用中,該穩(wěn)壓管可省去。
4、總結
本文提出了一種高頻載波橋式整流的功率MOSFET隔離驅動電路。該電路已經在實際研制的帶再生制動的直流斬波調速系統(tǒng)中采用。使用結果表明,該電路不僅具有頻率響應快、線路簡單可靠,控制靈活等特點,而且還有自保護功能。