一种适应高频和宽占空比范围工作的MOSFET驱动电路研究

郝科

摘 要：研究了一种基于磁耦合的场效应管驱动电路，该电路能够在占空比大范围变化和工作频率较高的情况下保证驱动波形符合要求。该电路提供了完全的电气隔离，毋需辅助电源。该驱动电路对驱动变压器漏感不敏感，不需要栅极电阻来阻尼震荡，从而可提高驱动的峰值电流，同时驱动变压器设计更灵活，有助于提高原副边隔离电压和电磁兼容性。

关键词：驱动电路；峰值电流；磁耦合

中图分类号：TN386 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）32-0016-02

引言

在很多应用场合，场效应功率晶体管（MOSFET）的工作占空比需要在大范围内变化，比如逆变器、宽工作范围和快响应能力的直流变换器等，同时，很多应用场合的驱动电路要求实现控制和功率电路的电气隔离。

MOSFET驱动电路从信号隔离方式上可以分为光耦隔离、磁耦隔离和专用浮动驱动芯片等。光电耦合隔离技术，由于普通光耦信号传输时间较长、高速光耦抗干扰能力又较弱，所以光耦隔离难以适应高频功率变换的驱动要求。磁耦隔离技术，由于耦合变压器磁复位的要求，若功率电路工作占空比在接近0～100%变化宽范围内变化，传统的磁耦驱动电路元件和参数选择困难，难以实现。文献[1-2]介绍了将驱动脉冲边沿转换为窄脉冲再磁耦合到次级，再由副边电路进行信号重构和还原的驱动电路，可以适应宽范围的占空比变化，但存在电路复杂、损耗较大等问题。

针对高开关频率（50kHz及以上）、宽占空比变化范围条件下功率场效应管隔离驱动的需求研究了一种场效应管驱动电路，分析了其工作过程和主要参数的设计，最后给出了实验波形，验证了该驱动电路的可行性。

1 驱动电路原理

研究的驱动电路基本结构如图1所示。相比于传统的磁耦隔离驱动电路，该电路的主要改进是增加了副边波形还原电容和独立浮动供电电容。其输出级由图腾柱结构来实现，可实现快速的栅源极电容充放电。

输入端输入PWM波，直流分量由隔直电容C1承受，交流分量由隔离变压器变换至变压器副边。C2和D2使得直流电平得以恢复。电容C3作为独立浮动供电为后面由NPN型和PNP型三极管构成的图腾柱结构提供电流。

电容C3足够大，其端电压变化可以忽略，C1和C2取值合适，在每个开关周期中不计其电压波动。下面在上述假定条件下对电路的工作模态进行分析。

当输入端为高电平，三极管Q1导通，电容C3部分放电，对MOSFET栅极电容CG充电，使MOSFET导通。传统的磁耦隔离驱动电路的驱动电流来自于变压器原边，其上升率受到变压器漏感限制，而该电路由储能电容C3提供驱动能量，因此图1电路功率管栅极电压上升速度更快。当储能电容C3放电导致D1导通后，它又可以过C2和D1得以补充充电。

输入端为低电平时D2正向导通，Q2饱和导通，MOSFET栅极电容CG通过Q2泄放电流。

该电路中变压器二次侧使用由原边供电的储能电容，一方面简化了电路，另一方面避免了耦合变压器漏感与栅极电容的谐振问题，可以采用较小的Rg，因此此驱动电路即使开关频率较高，也能实现快的上升和下降沿。同时，副边的波形复位电容C2使得储能电容C3的电压稳定，不受占空比变化的影响，电路可以工作于很宽范围的占空比，而且，由于减小了对耦合变压器漏感的限制，驱动电路的电气隔离能力可得以提高。

2 设计实例

为验证电路分析和设计的正确性设计了实验电路。实例中PWM波由数字信号处理器DSP给出，经过信号放大电路后，驱动电路输入的高低电平电压差为1.9V，信号频率fs范围为10kHz～100kHz，设计输出电压uo为4V。设计参数时限制电容C3的电压纹波小于0.5V，电容C1电压纹波折合至副边后小于0.5V。

驱动电路各元件选取如下：Rgs=10kΩ，R2=200Ω，Rg=20Ω，C1=1μF，C2=0.33μF，C3=10μF，T1采用外径10mm的磁环，变比1：2.7，三极管使用2SC9013和2SC9015。

图2为开关频率为10、100kHz情况时输入和输出的PWM波形。可以看到驱动电路输出上升沿和下降沿很快，可以快速開通和关断MOSFET可见该驱动电路可以适应高频、宽占空比范围的驱动要求。

3 结束语

该电路结构简单，能够工作在较高的开关频率，可以传输接近0～100%的占空比，并提供了完全的电气隔离，毋需隔离驱动电源，同时，避免了由于耦合变压器漏感引起的驱动振荡和驱动电流变化率受限问题，能实现快速的驱动上升、下降沿，能实现更好的电气隔离性能。实验验证了该电路具有良好的性能，能适用于高频、宽占空比变化的隔离驱动，具有很好的实用价值。

参考文献：

[1]Jose M Espi，Rafael Garcia-Gil，Jaime Castello. Isolated FET pulse driver reduces size and power consumption[J].EDN，March 30，200

6，98.

[2]Jaime Castello， Jose M Espi，Rafael Garcia-Gil.增加占空比范围的隔离FET脉冲驱动器[J].EDN电子设计技术，2010，9：66.endprint