橋式拓撲結(jié)構(gòu)功率MOSFET驅(qū)動電路設計
摘要：針對橋式拓撲功率MOSFET因柵極驅(qū)動信號振蕩產(chǎn)生的橋臂直通問題，給出了計及各寄生參數(shù)的驅(qū)動電路等效模型，對柵極驅(qū)動信號振蕩的機理進行了深入研究，分析了驅(qū)動電路各參數(shù)與振蕩的關系，并以此為依據(jù)對驅(qū)動電路進行參數(shù)優(yōu)化設計，給出了實驗波形。理論分析和實驗結(jié)果表明，改進后的驅(qū)動電路成功地解決了驅(qū)動信號的振蕩問題，從而保證了功率MOSFET能夠安全、可靠地運行。
關鍵詞：振蕩；驅(qū)動電路；橋式拓撲結(jié)構(gòu)
引言
功率MOSFET以其開關速度快、驅(qū)動功率小和功耗低等優(yōu)點在中小容量的變流器中得到了廣泛的應用。當采用功率MOSFET橋式拓撲結(jié)構(gòu)時，同一橋臂上的兩個功率器件在轉(zhuǎn)換過程中，柵極驅(qū)動信號會產(chǎn)生振蕩，此時功率器件的損耗較大。當振蕩幅值較高時，將使功率器件導通，從而造成功率開關管直通而損壞。目前常用的解決方法是在MOSFET關斷時在柵極施加反壓，以削弱振蕩的影響，但反壓電路卻占用空間，同時增加了成本。本文在深入分析了MOSFET柵極振蕩產(chǎn)生機理基礎上，設計了硬件驅(qū)動電路。理論分析和實驗結(jié)果表明，采用本文所提出的方法，只需增加較少的器件就能夠最大程度地抑制振蕩。
柵極驅(qū)動信號振蕩的產(chǎn)生機理
由功率MOSFET的等效電路可知，3個極間均存在結(jié)電容，柵極輸入端相當于一個容性網(wǎng)絡，驅(qū)動電路存在著分布電感和驅(qū)動電阻，此時的橋式逆變電路如圖1所示。以上管開通過程為例，當下管V2已經(jīng)完全關斷時，柵源極同電位。在上管開通過程中，設上管開通時間為ton，直流母線電壓為E，由于開通過程時間很短，其漏源極電壓迅速由直流母線電壓下降到近似零，相當于在下管V2漏源極間突加一個電壓E，形成很高的dv/dt。該dv/dt的數(shù)值與上管V1的開通速度有關，可近似認為
圖1 半橋式拓撲的等效電路
此時雖然下管已經(jīng)完全關斷，但是該dv/dt因結(jié)電容Cgd2的存在而對柵源極狀態(tài)產(chǎn)生影響。
該dv/dt產(chǎn)生的位移電流為
在下管V2柵極產(chǎn)生的電壓為
對其進行拉氏反變換可得
式中：
由上式可知，當上管開通時會在下管柵極產(chǎn)生阻尼衰減振蕩信號，如圖2所示。同理，當上管關斷、下管開通時，上管柵極也同樣會產(chǎn)生振蕩，只是相位與前者相反，其幅值可以表示為
由于振蕩頻率很高，使MOSFET處于高頻開關狀態(tài)，產(chǎn)生很大的開關損耗。更嚴重的是若振蕩的幅值達到MOSFET的門檻電壓，下管將開通，而上管正處于導通狀態(tài)，此時將造成上下功率管的直通現(xiàn)象，造成MOSFET的損壞。以上現(xiàn)象可以通過調(diào)整驅(qū)動電路參數(shù)加以抑制。
圖2 柵極振蕩干擾實測波形
驅(qū)動電路的改進
減小分布電感
若取極限情況，驅(qū)動電路的分布電感為零，則驅(qū)動信號由式(3)簡化為如下形式
對其進行拉氏反變換得
式中，S=Rg2Cgs2。
由上式可知此時振蕩已經(jīng)變?yōu)橹笖?shù)衰減形式，在t=0時為最大值
由上述分析可知，分布電感主要影響驅(qū)動信號振蕩的暫態(tài)表現(xiàn)形式，若盡量減小分布電感，可使驅(qū)動信號由阻尼振蕩變?yōu)橹笖?shù)衰減，即可消除MOSFET的高頻開關損耗。同時亦可一定程度上降低振蕩幅值。因此在設計電路時應該盡量使驅(qū)動芯片靠近MOSFET，并減小閉合回路所圍的面積。如用導線連接應該使用雙絞線或使用同軸電纜，以盡量減小分布電感。
開通和關斷時間的配合與調(diào)整
由式(5)和式(8)可知，MOSFET的開通時間是影響驅(qū)動信號振蕩幅值的主要因素，呈反比例關系。若適當增大器件的開通時間，即可在很大程度上減小振蕩幅值，因此考慮在驅(qū)動芯片與MOSFET柵極間加設緩沖電路，即人為串接驅(qū)動電阻，在MOSFET柵源極間并聯(lián)電容以延長柵極電容的充電時間，降低電壓變化率。而MOSFET的關斷時間與開通時間存在著一定的矛盾，若單純增大開通時間，必然也增大了關斷時間，而從減小死區(qū)時間角度，希望關斷時間短一些，因此考慮調(diào)整MOSFET的開通和關斷時間，在驅(qū)動電阻上反并聯(lián)快恢復二極管，改變MOSFET開通和關斷的時間常數(shù)，在開通時為減小dv/dt的應力，增加柵極的充電時間，而關斷時間應短一些，以使用較短的死區(qū)時間減小輸出波形的諧波含量，電路如圖3所示。通過以上措施，可以實現(xiàn)在增大開通時間，減小電壓變化率的同時，保證了較短的關斷時間。
圖3 改進后驅(qū)動電路
理論上，開通時間越長dv/dt應力越小，振蕩產(chǎn)生的干擾效果就越不顯著，但是由MOSFET開關損耗近似公式
可知，開通與關斷時間越長，MOSFET的開關損耗越大，另外開通時間還受工作頻率的限制。
緩沖電路參數(shù)通常的選取原則為
式中：f為MOSFET的工作頻率。
由于MOSFET通常工作在幾十kHz的開關狀態(tài)，其充放電電流由柵源極電容和驅(qū)動電壓決定，若驅(qū)動電阻選的很大，使得電路損耗過大，不利于驅(qū)動電路的安全運行，因此要綜合考慮電阻、電容的取值。一般驅(qū)動電阻的阻值為幾十8，柵源極并聯(lián)電容的取值以式(10)為參考。
其它措施
考慮到驅(qū)動信號振蕩主要出現(xiàn)在橋臂一側(cè)MOSFET的關斷階段，即柵源極為零電位時，由PNP三極管的工作原理，在驅(qū)動芯片與驅(qū)動電阻之間外接PNP三極管，當驅(qū)動芯片提供高電平時，三極管不導通，對電路邏輯不造成影響。在驅(qū)動芯片提供低電平過程中，當未產(chǎn)生振蕩時，三極管基極與集電極電位均近似為零，三極管不工作；當MOSFET柵源極產(chǎn)生振蕩時，三極管集電極電位為正，將飽和導通，振蕩電壓經(jīng)反并聯(lián)二極管和三極管迅速泄放，避免了MOSFET誤導通。同時在柵源極間并聯(lián)穩(wěn)壓管，進一步限制柵源極過壓。最終改進后驅(qū)動電路如圖3所示。
圖4是工作頻率f為40kHz，MOSFET未加緩沖電路的柵極驅(qū)動信號實測波形，此時驅(qū)動芯片直接與MOSFET的柵極相連，由于沒有考慮分布電感的作用，芯片與MOSFET擺放位置相對較遠。實際測得驅(qū)動電路分布電感L為135nH，驅(qū)動電阻近似為零，從圖4中可以看出，改進前振蕩的幅值很大，導致MOSFET發(fā)熱嚴重，直至過熱損壞，逆變器根本無法正常工作。驅(qū)動電路改進后，實際測得分布電感L為23.5nH，驅(qū)動電阻Rg取為300.01
圖4 改進前驅(qū)動信號波形
圖5 改進后驅(qū)動信號波形
結(jié)論
橋式拓撲結(jié)構(gòu)功率MOSFET在開關轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生的直通現(xiàn)象是由于結(jié)電容、驅(qū)動電路的分布電感以及開關時產(chǎn)生較高的dv/dt在柵極產(chǎn)生振蕩造成的。在分析了柵極驅(qū)動信號的振蕩機理后，進行了驅(qū)動電路的優(yōu)化設計，在柵源極增加了緩沖電路。與外加負壓電路以及有源驅(qū)動電路相比，該電路具有實現(xiàn)簡單、安全可靠的特點。采用該驅(qū)動電路實現(xiàn)的鎮(zhèn)流器，長期運行并未發(fā)生過熱和損壞MOSFET的現(xiàn)象。 信息來源（吳鳳江，高晗瓔，孫力 ）
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