基于变压器隔离的功率MOSFET驱动电路参数设计

廖鸿飞，梁奇峰，彭建宇

（中山火炬职业技术学院，广东 中山528400）

0 引 言

功率场效应晶体管（功率MOSFET）是一种单极型电压控制器件，没有少数载流子的存储效应，具有开关速度快，开关频率高，输入阻抗高等优点，因此在开关电源装置中得到了广泛的应用［1－2］。在开关电源装置中，根据主电路的结构，经常需要将主电路与驱动电路隔离，因此需要采用隔离驱动方式。

在功率装置中，常采用的隔离驱动方式有光电耦合隔离驱动及脉冲变压器隔离驱动。由于光电耦合隔离驱动方式的开关速度较慢，成本高，不适合应用于高频开关电源。脉冲变压器隔离驱动方式具有电路结构简单可靠，成本低等优点，因此在开关电源中得到了广泛的应用。本文主要介绍了常用的变压器隔离驱动电路结构及其工作原理，给出了电路中各元件的参数设计方法及设计准则，提高了驱动电路的可靠性和驱动性能。

1 变压器隔离驱动电路

由于开关电源的开关频率较高，而高速光耦的开关速度通常在50 kHz以下，并且价格较高，因此在开关电源中，通常采用脉冲变压器隔离驱动电路。变压器隔离驱动电路有单电容变压器隔离驱动电路和双电容变压器隔离驱动电路。

（1）单电容变压器隔离驱动电路

单电容变压器隔离驱动电路是在变压器原边串联了一个隔直电容，其结构如图1所示。由于PWM芯片输出的驱动波形通常含有直流成分，会造成隔离脉冲变压器的偏磁。因此在隔离驱动变压器的原边串联隔直电容，以滤除驱动脉冲中的直流成分。

图1 单电容隔离驱动电路

假设驱动脉冲的占空比为D，则隔直电容Cc两端的直流电压为：

假设隔离驱动变压器的变比为n，则MOSFET栅源极间的电压为：

由式（2）可以看出，MOSFET栅源极间的电压UGS是随占空比变化的，因此不适用于占空比变化的PWM电路。但由于这种电路结构简单，因此在占空比固定的拓扑结构，如LLC、移相全桥等电路中得到了广泛应用。

（2）双电容变压器隔离驱动电路

由于单电容变压器隔离驱动电路中隔直电容上的直流电压随占空比变化，使得驱动电路输出的驱动电压也随占空比变化。因此可以在隔离变压器副边增加一个电位平移电路，便可以补偿隔直电容上的电压降，使驱动电路输出电压不随占空比变化。双电容变压器隔离驱动电路如图2所示。Cc1为隔直电容，Cc2为电位平移电容。

隔直电容Cc1两端的直流电压为：

电位平移电容Cc2两端的直流电压为：

因此MOSFET栅源极间的电压为：

从式（5）可以看出，双电容变压器隔离驱动电路输出的驱动电压与占空比无关，因此适合于占空比变化的PWM驱动电路。

图2 双电容隔离驱动电路

2 变压器隔离驱动电路参数的设计

隔离驱动电路元件参数设计的优劣将直接决定变压器驱动电路的性能，由于双电容变压器隔离驱动电路是在单电容变压器隔离驱动电路的基础上增加了电位平移电路，因此两者的参数设计方法是一致的。

（1）隔直电容

隔直电容容量的大小，将直接决定了隔直电容两端的纹波及驱动电流。在开关管导通过程中电容所需要提供的驱动电流为：

心理学家齐克森米哈里在《心流：最佳体验的心理学》一书中提到这样一个案例：在荷兰一家医院里，有一名患有精神分裂症的女性患者，住院已超过10年，思路不清、病况严重，一直以来都情绪淡漠。

由于电容的电压与电流的关系式为：

联立式（6）式（7）可得

（2）电位平移电容

与隔直电容的作用类似，在MOSFET导通过程中，电位平移电容CC2将为MOSFET栅极电荷以及栅源电阻提供电流。

（3）驱动变压器

驱动变压器应保证在磁化过程中不饱和，因此所设计的匝数应保证其磁通摆幅ΔB不能过大。

同时驱动变压器应保证所传递的驱动信号不失真、不延迟。因此驱动变压器的原副边应紧密耦合。

（4）驱动电阻

从式（10）可以看出，增加驱动电阻Rg可以抑制此寄生振荡。但从图3中可以看出，同时增大Rg会使得充电时间常数变大，使驱动上升时间更长，使得功率MOSFET开通损耗增大。

图3 MOSFET驱动等效电路

3 实验验证

实验验证采用了图2所示电路，MOSFET采用STP5NM50N，驱动变压器采用EE－9磁芯，原副边均采用0.15 mm的漆包线，驱动电阻为22Ω，隔直电容CC1为1μF，电位平移电容CC2为1μF，实验波形如图4所示。从波形上可以看到，上升速度快，波形平滑无振荡。

图4 驱动波形

4 结 论

功率MOSFET驱动电路的设计可直接决定系统的驱动品质。文中阐述了两种功率MOSFET变压器隔离驱动电路的工作原理，给出了变压器隔离驱动电路中隔直电容、电位平移电容、驱动电阻、驱动变压器的参数计算方法，并经实验验证，此计算方法是合理有效的，驱动波形平滑无振荡，并且有较快的上升时间。

［1］ 田 颖，陈培红.功率MOSFET驱动保护电路设计与应用［J］.电力电子技术，2005，39（1）：73－80.

［2］ 纪圣儒，朱志明，周雪珍，王琳化.MOSFET隔离型高速驱动电路［J］.电焊机，2007，37（5）：6－9.

［3］ 王华彪 ，陈亚宁.IGBT和MOSFET器件的隔离驱动技术［J］.电源技术应用，2006，9（5）：43－45.

［4］ Burgeois J M.A new isolated gate drive for power MOSFET and IGBTs［C］.European Power Electronics and Applications Conference（EPE＇9 l），Florencia，1991.

［5］ 李正中，孙德刚.高压浮动 MOSFET栅极驱动技术［J］.通信电源技术 ，2003，19（3）：37－40.