【導讀】為了滿足當前MOSFET在工業(yè)上的要求，本文就驅動電路的保護提出一種MOSFET高頻載波橋式整流驅動電路。該電路不須懸浮電源，實現(xiàn)高低壓隔離。具有頻率響應快、線路簡單可靠、控制靈活等特點，在故障狀態(tài)下具有自保護功能。
1、MOSFET對驅動電路的相關要求
功率場效應晶體管具有開關速度快，驅動功率小，安全工作區(qū)寬，輸入阻抗高等優(yōu)點，是一種理想的壓控器件。功率MOSFET具有正的溫度系數，且輸入阻抗極高，但柵源電容Ci 較大，為提高MOSFET開關速度，提高柵極驅動電壓的上升沿和下降沿的陡度，在設計驅動電路時，必須保證驅動電路有較小的輸出阻抗。另外，驅動電路是聯(lián)系強電與弱電的紐帶，在電路工作中，強電與弱電完全隔離，故應有隔離強電和弱電的功能。MOSFET的柵源電壓最大只有±20V左右，門檻電壓Ugs一般為2～6v，當柵源電壓Ugs ≥10V時MOSFET就進入飽和導通狀態(tài)。為了保證可靠觸發(fā)，盡可能采用強驅動方式。
根據上述MOSFET對驅動電路的要求，下面提出了一種適于MOSFET的自保護驅動電路。該電路已在直流斬波器中應用，實踐證明其性能優(yōu)良。
2、驅動電路及工作原理
圖1為高頻載波橋式整流驅動電路原理圖。它由高頻脈沖振湯器，晶體管 ，VT1、VT2、VT3、VT4構成互補電路；脈沖變壓器，橋式驅動整流電路及CD4528或CD4538單穩(wěn)態(tài)電路構成的保護環(huán)節(jié)組成。
G1門電路和2MHz的晶振構成振蕩器，經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，當控制端Vi為高電平時，G2，G3輸出的反相脈沖分別驅動由VTl， VT2和VT3，VT4組成的互補電路。任一時刻，VT1、VT3導通，VT2、VT4截止，或者相反。因此變壓器原邊得到一交變對稱的方波信號。為提高MOSFET的開關速度，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，該方波電壓經變壓器耦合，在其副邊得到與原邊相似的方波。此方波經VD1 ～ VD4組成的整流橋電路整流后即可接在vMT的柵極直接驅動MOSFET。圖2示出該電路各點的輸出波形。
當控制信號Vi為低電平時，振蕩器輸出信號被封鎖，門G2，G3同時輸出高電平，于是晶體管VT2、VT3處于截止狀態(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關斷。VT5的作用是將MOSFET柵源結電容上貯存的電荷迅速防掉，加速MOSFET的關斷過程。
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3、幾個值得注意的問題和自保護的實現(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成的振蕩器。該電路除了結構簡單、輸出頻率穩(wěn)定和工作可靠外，考慮在滿足MOSFET對柵極驅動電平要求的前提下，可使整個電路采用單一的+15V電源，因而簡化了電路。圖1中振蕩器由反相器G1，2MHz晶振及電容Ca，Cb構成。其中Rf的作用是為反相器提供一個偏置，使反相器在線性放大狀態(tài)。晶振及電容Ca，Cb組成的反饋網絡，當電路振蕩頻率接近石英晶體的固有諧振頻率時，電路維持振蕩，此時調整Ca，Cb可微調振蕩頻率。CD4013為具有復位和置位的雙D觸發(fā)器，主要用于對振蕩器輸出信號的分頻，并且通過同相和反相輸出端輸出兩路反相的脈沖信號。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 晶體管互補驅動電路的保護
為提高MOSFET的開關速度，在變壓器原邊的互補晶體管電路中，晶體管與電源間是不加任何電阻限流的。當振蕩器因故停振時，若G2輸出高電平，G3輸出低電平，則VT1，VT3同時導通，使電源對地短路；若G2輸出低電平，G3輸出高電平，則VT2，VT4同時導通，也將電源對地短路。因此必須采取一定的保護措施。這里采用一個CD4528或CIM538雙單穩(wěn)態(tài)集成觸發(fā)電路構成的保護電路。在CIM528或CD4538每個單穩(wěn)態(tài)電路中，有兩個可再觸發(fā)的輸入端x1或X2，其真值表如下表。
上升沿觸發(fā)時，觸發(fā)信號從A端輸入，B端接高電平；下降沿觸發(fā)時，則觸發(fā)信號從B端輸入，A端接低電平[D是復位端，低電平有效。其保護原理是，當振蕩器因故停振時，從A端輸入的觸發(fā)信號為一不變的直流電平，由于這時B端和復位端CD都為高電平，從而保證了其反相輸出為高電平。該信號同時加至分頻器CD4013的4和6腳，使分頻器兩個輸出端也都為高電平，從而可使VT2，VT3 截止，于是就保證了驅動晶體管互補電路不會發(fā)生直通短路現(xiàn)象。
3．3 MOSFET柵源問的過電壓保護
由于MSFET的柵源極間輸入阻抗很高，所以漏源電壓的正向、反向突變會通過管子內部的反饋電容Crss的Miller效應耦合到柵極，并產生相當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還會導致元件的誤導通。為了防止管子輸入信號過高，本電路在Vmt的柵源間并聯(lián)一個穩(wěn)壓管Vdw 在輸入信號不太高或輸入信號被限幅的應用中，該穩(wěn)壓管可省去。
4、總結
本文提出了一種高頻載波橋式整流的功率MOSFET隔離驅動電路。該電路已經在實際研制的帶再生制動的直流斬波調速系統(tǒng)中采用。使用結果表明，該電路不僅具有頻率響應快、線路簡單可靠，控制靈活等特點，而且還有自保護功能。
