【導(dǎo)讀】為了滿足當(dāng)前MOSFET在工業(yè)上的要求，本文就驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)提出一種MOSFET高頻載波橋式整流驅(qū)動(dòng)電路。該電路不須懸浮電源，實(shí)現(xiàn)高低壓隔離。具有頻率響應(yīng)快、線路簡(jiǎn)單可靠、控制靈活等特點(diǎn)，在故障狀態(tài)下具有自保護(hù)功能。
1、MOSFET對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的相關(guān)要求
功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有開關(guān)速度快，驅(qū)動(dòng)功率小，安全工作區(qū)寬，輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)，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M(jìn)OSFET開關(guān)速度，提高柵極驅(qū)動(dòng)電壓的上升沿和下降沿的陡度，在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，必須保證驅(qū)動(dòng)電路有較小的輸出阻抗。另外，驅(qū)動(dòng)電路是聯(lián)系強(qiáng)電與弱電的紐帶，在電路工作中，強(qiáng)電與弱電完全隔離，故應(yīng)有隔離強(qiáng)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(dāng)柵源電壓Ugs ≥10V時(shí)MOSFET就進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)。為了保證可靠觸發(fā)，盡可能采用強(qiáng)驅(qū)動(dòng)方式。
根據(jù)上述MOSFET對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求，下面提出了一種適于MOSFET的自保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路。該電路已在直流斬波器中應(yīng)用，實(shí)踐證明其性能優(yōu)良。
2、驅(qū)動(dòng)電路及工作原理
圖1為高頻載波橋式整流驅(qū)動(dòng)電路原理圖。它由高頻脈沖振湯器，晶體管 ，VT1、VT2、VT3、VT4構(gòu)成互補(bǔ)電路；脈沖變壓器，橋式驅(qū)動(dòng)整流電路及CD4528或CD4538單穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成的保護(hù)環(huán)節(jié)組成。
G1門電路和2MHz的晶振構(gòu)成振蕩器，經(jīng)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(hào)，當(dāng)控制端Vi為高電平時(shí)，G2，G3輸出的反相脈沖分別驅(qū)動(dòng)由VTl， VT2和VT3，VT4組成的互補(bǔ)電路。任一時(shí)刻，VT1、VT3導(dǎo)通，VT2、VT4截止，或者相反。因此變壓器原邊得到一交變對(duì)稱的方波信號(hào)。為提高M(jìn)OSFET的開關(guān)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(jīng)變壓器耦合，在其副邊得到與原邊相似的方波。此方波經(jīng)VD1 ～ VD4組成的整流橋電路整流后即可接在vMT的柵極直接驅(qū)動(dòng)MOSFET。圖2示出該電路各點(diǎn)的輸出波形。
當(dāng)控制信號(hào)Vi為低電平時(shí)，振蕩器輸出信號(hào)被封鎖，門G2，G3同時(shí)輸出高電平，于是晶體管VT2、VT3處于截止?fàn)顟B(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(guān)斷。VT5的作用是將MOSFET柵源結(jié)電容上貯存的電荷迅速防掉，加速M(fèi)OSFET的關(guān)斷過程。
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3、幾個(gè)值得注意的問題和自保護(hù)的實(shí)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(gòu)成的振蕩器。該電路除了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出頻率穩(wěn)定和工作可靠外，考慮在滿足MOSFET對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電平要求的前提下，可使整個(gè)電路采用單一的+15V電源，因而簡(jiǎn)化了電路。圖1中振蕩器由反相器G1，2MHz晶振及電容Ca，Cb構(gòu)成。其中Rf的作用是為反相器提供一個(gè)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(wǎng)絡(luò)，當(dāng)電路振蕩頻率接近石英晶體的固有諧振頻率時(shí)，電路維持振蕩，此時(shí)調(diào)整Ca，Cb可微調(diào)振蕩頻率。CD4013為具有復(fù)位和置位的雙D觸發(fā)器，主要用于對(duì)振蕩器輸出信號(hào)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(hào)。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(dǎo)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(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)
為提高M(jìn)OSFET的開關(guān)速度，在變壓器原邊的互補(bǔ)晶體管電路中，晶體管與電源間是不加任何電阻限流的。當(dāng)振蕩器因故停振時(shí)，若G2輸出高電平，G3輸出低電平，則VT1，VT3同時(shí)導(dǎo)通，使電源對(duì)地短路；若G2輸出低電平，G3輸出高電平，則VT2，VT4同時(shí)導(dǎo)通，也將電源對(duì)地短路。因此必須采取一定的保護(hù)措施。這里采用一個(gè)CD4528或CIM538雙單穩(wěn)態(tài)集成觸發(fā)電路構(gòu)成的保護(hù)電路。在CIM528或CD4538每個(gè)單穩(wěn)態(tài)電路中，有兩個(gè)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(shí)，觸發(fā)信號(hào)從A端輸入，B端接高電平；下降沿觸發(fā)時(shí)，則觸發(fā)信號(hào)從B端輸入，A端接低電平[D是復(fù)位端，低電平有效。其保護(hù)原理是，當(dāng)振蕩器因故停振時(shí)，從A端輸入的觸發(fā)信號(hào)為一不變的直流電平，由于這時(shí)B端和復(fù)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(hào)同時(shí)加至分頻器CD4013的4和6腳，使分頻器兩個(gè)輸出端也都為高電平，從而可使VT2，VT3 截止，于是就保證了驅(qū)動(dòng)晶體管互補(bǔ)電路不會(huì)發(fā)生直通短路現(xiàn)象。
3．3 MOSFET柵源問的過電壓保護(hù)
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(huì)通過管子內(nèi)部的反饋電容Crss的Miller效應(yīng)耦合到柵極，并產(chǎn)生相當(dāng)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(huì)導(dǎo)致元件的誤導(dǎo)通。為了防止管子輸入信號(hào)過高，本電路在Vmt的柵源間并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓管Vdw 在輸入信號(hào)不太高或輸入信號(hào)被限幅的應(yīng)用中，該穩(wěn)壓管可省去。
4、總結(jié)
本文提出了一種高頻載波橋式整流的功率MOSFET隔離驅(qū)動(dòng)電路。該電路已經(jīng)在實(shí)際研制的帶再生制動(dòng)的直流斬波調(diào)速系統(tǒng)中采用。使用結(jié)果表明，該電路不僅具有頻率響應(yīng)快、線路簡(jiǎn)單可靠，控制靈活等特點(diǎn)，而且還有自保護(hù)功能。
