具有高频高速功能的场效应管驱动电路

谢鸿龄 牛林 刘祥明

（红河学院，云南 蒙自 661100）

具有高频高速功能的场效应管驱动电路

谢鸿龄 牛林 刘祥明

（红河学院，云南 蒙自 661100）

高频环境下，驱动场效应管时，隔离变压器会受分布参数的影响，放大时三极管容易饱和，影响场效应管的开关速度。本设计采用双线并绕的方法制作导线和变压器，可以使影响场效应管开关的分布电感、趋肤效应等分布参数减到最小，大幅提升信号传输的速率且信号失真度低。

场效应管；驱动电路；高频；高速；抗饱和

1 背景分析

在现有技术中，超高频的环境下，驱动电路中的起隔离作用的变压器由于电路存在分布电感、高频趋肤效应及各种分布参数的影响，变压器的输出和原始输入的脉冲之间会存在很大的信号延迟和畸变，因此，传统的变压器不能达到驱动和隔离的要求。此外，场效应管的驱动电路在使用三极管进行驱动信号放大时，常常会因为三极管的饱和问题无法让场效应管做到快速开通和关断，因此，探索具有较快开关速度的高频高速的场效应管驱动电路成为了新开发产品中的一个必须解决的问题［1］。

2 超高频信号的隔离

本文所设计的驱动电路的隔离为变压器隔离，但当传输功率400W、传输频率200kHz左右就达到了脉冲变压器的极限［1］，这样的技术指标在高频环境下是不能满足要求的，市场上的脉冲功率传输变压器，其传输功率的上限已达到上千瓦、传输频率的上限也达到3MHz以上。通过分析可知，高频脉冲功率传输变压器在保持输出信号基本不变的条件下，其传输功率和工作频率的乘积近似为恒定，即传输功率增大时工作频率自然降低，传输功率降低时工作频率自然升高。原因是变压器的绕组存在的高频趋肤效应及各种分布参数的共同影响，解决的办法是全面改进变压器的绕制方法，使之全面减少不利因素的影响［1，2］。

3 隔离变压器的制作

采用超高频磁芯以减少导线的匝数，全部绕组均采用线径0.03～0.08mm的高强度漆包线绕制，传输频率越高，所用导线的直径越小；全部绕组均以分段方式绕制在磁芯的骨架上［2］。

通过分析可知，采用细漆包线均匀绞合后同时绕制变压器的原副边，能大幅降低原副边绕组的分布电感，而采用分段绕制方式能有效降低绕组的分布电容和趋肤效应，绕组线径越小，分段数越多，分布电容和趋肤效应的影响越小。实测表明，用本方法绕制的脉冲功率传输变压器在高频环境下能做到较好的隔离驱动信号且信号延时很小，保证了传输速度［2］。

4 影响三极管开关速度的因素

本文所设计的驱动电路的信号放大由三极管完成，虽然三极管的特征频率已经达到上百兆赫兹，但高频环境下导通时，由于电路导线的分布参数及外电路的时间常数的影响，三极管内部载流子的累积较慢，三极管的电流从导通后到增加到工作电流需要一段时间［3］；三极管处于放大状态，基极电流增大时，集电极电流亦将增大，集电极电位将下降，当集电极电位下降到0.7V以下时，集电结将从反向偏置变为正向偏置，从放大状态变为饱和状态。此时，基极电流将失去对集电极电流的控制作用；载流子将在三个导电区不断累积，此时不能快速关断，因为三极管三个导电区累积的大量载流子只能通过复合来减少，而复合过程也是时间较长的过程，关断时间也会变得较长。

所以，三极管的开通受分布参数及载流子累积速度的影响，无法实现快速；而关断时受到三极管饱和状态的影响，也无法实现快速［3］。可见，三极管的开关时间要提升一个量级是比较困难的。

5 贝克抗饱和电路

通过分析三极管的开关过程可知，驱动电路驱动场效应管要实现快速开关，关键在于如何让三极管不进入饱和状态而持续工作在放大状态。本文所设计的驱动电路采用贝克抗饱和电路解决三极管极易饱和的问题［3，4］。如图1所示，贝克抗饱和电路采用三个导通压降均为0.7V的肖特基二极管组成；当晶体管V1的基极与发射极之间接入驱动信号且信号电压幅值达到0.7V时［3，4］，则晶体管V1导通，二极管VD1的阳极电位为2.1V，V1的集电极电位为1.4V，所以，只要三极管V1导通且其管压降为1.4V，三极管V1就不会进入饱和状态，而会一直工作在放大状态。而当三极管V1管压降即V1集电极电位升高时，二极管VD3的阳极和阴极电位差减小，电流下降，电流将主要流入三极管V1的基极，则基极电流增大，集电极电流随之增大，集电极电位下降，则三极管V1管压降下降；二极管VD1、VD2、VD3构成了电压并联负反馈，使三极管的开通压降永远被箝位在1.4V左右，工作状态一直是放大状态，不会进入饱和状态，从而达到极大地提升场效应管开关速度的目的［3，4］。

6 具有高频高速功能的场效应管驱动电路

图1为具有高频高速功能的场效应管驱动电路，驱动电路由隔离变压器和贝克抗饱和电路组成［1，3］，二极管VD1、VD2、VD3构成了电压并联负反馈，使三极管的开通压降永远被箝位在1.4V左右，工作状态一直是放大状态，不会进入饱和状态，驱动电路全部连接线包括隔离变压器均采用线径0.03～0.08mm的高强度漆包线绕制，并且双线并绕。这就使导线的分布电感、高频趋肤效应及各种分布参数减到最小［1，2］，场效应管的开关速度就可以达到很高的速度。

图1 具有高频高速功能的场效应管驱动电路

7 结论

具有高频高速功能的场效应管驱动电路，三极管导通后一直工作在放大状态，极大地提升了场效应管的开关速度；采用双线并绕的方法制作导线和变压器［1，2］，可以使导线的分布电感、导线的高频趋肤效应及各种分布参数减到最小，从而大幅提升其信号传输的速率且信号失真度低；驱动场效应管开通和关断的时间均是40ns以内，开关速度比普通驱动电路提升了约两个数量级；但受制于电路连接、分布参数的影响，不一定能达到理论开关时间。本文所设计具有高频高速功能的场效应管驱动电路已经获得实用新型专利权，证明设计的可行性，为具有高频高速功能的驱动电路的设计提供了一种设计方法。

［1］谢鸿龄，刘祥明，张英争，等.一种高频高速场效应管驱动电路：中国，ZL201621419279.8［P］.2017-06-13.

［2］谢鸿龄，卢诚，张英争，等.一种超高频脉冲功率传输变压器：中国，ZL201320037047.6［P］.2013-07-31.

［3］谢鸿龄，牛林，刘祥明.一种超高速模拟单向可控硅及其制作方法：中国，CN105703746A［P］.2016-06-22.

［4］陈学锋.浅谈晶体三极管开关速度的提高［J］.河南机电高等专科学校学报，2015（2）：10-12.

Field Effect Tube Drive Circuit with High Frequency and High Speed Function

Xie HonglingNiu LinLiu Xiangming
（HongheUniversity，Mengzi Yunnan 661100）

Under the environment of high frequency,driving field effect tube,isolation transformer will be affected by the distribution parameters,the triode easily saturated amplification,affect the switching speed of field effect tube; This design adopts the method of making bifilar winding wire and transformer,can influence the distribution of the field effect tube switch inductance and skin effect,to minimize the distribution parameters,improved the signal trans⁃mission rate and signal distortion is low.

field effect tube；drive circuit；high frequency；high speed；anti saturation

TN386.1

A

1003-5168（2017）08-0090-02

2017-07-02

国家自然科学基金“有色冶金过程系统的不确定动态优化算法”（61463013）；云南省科技厅青年项目“风光储多能互补的微电网运行及能量优化研究”（2015FD049）。

谢鸿龄（1988-），男，硕士，助教，研究方向：微电网运行、电子变流；牛林（1963-），女，教授，硕士，研究方向：过程控制；刘祥明（1979-），男，讲师，博士，研究方向：智能机器人。