隔離式FET脈沖驅(qū)動(dòng)器原理及設(shè)計(jì)

三相控制整流器和變換器、矩陣循環(huán)換流器以及級(jí)聯(lián)功率級(jí)一般都含有大量功率晶體管，每支晶體管都有自己的驅(qū)動(dòng)電路。圖1中的電路用1kHz ~ 200kHz頻率的全占空比脈沖驅(qū)動(dòng)一個(gè)容性輸入功率器件，如MOSFET或IGBT（絕緣柵雙極晶體管）。一只變壓器起隔直作用，電路在15V初級(jí)電源電壓下只消耗少量功率。采用具有輸入電容高達(dá)5 nF的幾只MOSFET和IGBT，測(cè)試滿(mǎn)意，該驅(qū)動(dòng)器通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)器晶體管、耦合變壓器以及一些無(wú)源元件，可以適應(yīng)更大電流的功率晶體管。晶體管Q₁和Q₂通過(guò)耦合變壓器T₁向晶體管Q₃和Q₄傳送約1ms持續(xù)時(shí)間的脈沖，分別為功率晶體管Q₅的柵源輸入電容充、放電。Q₁產(chǎn)生的充電脈沖開(kāi)始于驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的上升沿，而Q₂產(chǎn)生的放電脈沖則開(kāi)始于控制信號(hào)的下降沿。微分電路包括C₁、R₁、電位器P₁的一部分、C₂、R₂以及P₁的其余部分，它設(shè)定了充、放電脈沖的持續(xù)時(shí)間。必要時(shí)，調(diào)整P₁的設(shè)置可以改變 Q₅柵極上正、負(fù)充放電電壓的平衡。

　　晶體管Q₃和Q₄分別為Q₅的輸入電容傳輸充、放電脈沖，然后關(guān)斷，在Q₅輸入電容兩端產(chǎn)生一個(gè)高阻抗，使Q₅柵極電壓不能發(fā)生變化，除了由于微小的泄漏電流而緩慢放電之外。因此，驅(qū)動(dòng)器電路只在柵源充、放電過(guò)程的短暫間隔中消耗能量。

　　當(dāng)晶體管Q₁ ~ Q₄關(guān)斷時(shí)，電阻器與二極管R₃、D₃、R₄和D₄構(gòu)成變壓器T₁的消磁電流路徑。盡管它們?cè)诙鄶?shù)時(shí)間是反向偏置的，二極管D₅和D₆構(gòu)成了一個(gè)峰值振幅鑒別器，成為一個(gè)邏輯OR電路，以保證Q₃和Q₄的柵極電壓總是等于或大于Q₅柵源電容正端上的電壓。

　　電阻器R₅和R₆限制了為Q₅柵源電容的充、放電速率，并可以根據(jù)Q₅的驅(qū)動(dòng)特性而變化。變壓器T₁采用飛利浦3E5鐵氧體材料的RM5/I芯，有一個(gè)中央抽頭， 20匝初級(jí)繞組和12匝次級(jí)繞組，兩者均使用0.2 mm直徑、0.008英寸的AWG ＃32漆包線(xiàn)。

　　當(dāng)晶體管Q₁導(dǎo)通時(shí)，在T₁的次級(jí)繞組中產(chǎn)生一個(gè)正電壓，使P溝道MOSFET Q₃接通，并驅(qū)動(dòng)Q₄的內(nèi)部二極管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，開(kāi)始為Q₅的柵源電容充電。Q₃的導(dǎo)通電阻決定了充電速率。充電結(jié)束有兩種情況：脈沖結(jié)束；或當(dāng)Q₅的柵源電壓近似于T₁的次級(jí)電壓減去Q₃的柵極閾值電壓。

　　然后，Q₃關(guān)斷，允許充電電流衰減為零，電容達(dá)到其最大正向充電狀態(tài)。當(dāng)Q₁關(guān)斷時(shí)，變壓器T₁的磁化電流通過(guò)R₃和D₃復(fù)位。T₁次級(jí)繞組的電壓略偏負(fù)，以補(bǔ)償磁芯的伏秒特性，此特性會(huì)在無(wú)電流時(shí)正向偏置Q₃的體二極管，而Q₄的體二極管會(huì)阻止Q₅的柵源電壓放電。

　　在Q₄柵極上施加的負(fù)電壓不會(huì)使Q₄導(dǎo)通，因?yàn)槎O管D₅的正向壓降使Q₄的柵極電壓高于Q₅的柵極電壓。因此，Q₅的輸入電容保持在充電狀態(tài)，而復(fù)位路徑對(duì)此電容保持高阻狀態(tài)。當(dāng)Q₂導(dǎo)通時(shí)，出現(xiàn)在T₁初級(jí)的負(fù)電壓使Q₄導(dǎo)通，開(kāi)始放電過(guò)程。當(dāng)Q₄的柵源電壓等于其閾值電平，或當(dāng)脈沖結(jié)束時(shí)，充電過(guò)程終止。然后，Q₄關(guān)斷，而Q₅的柵源電容達(dá)到最小負(fù)電壓。當(dāng)Q₂關(guān)斷時(shí)，T₁的磁化電流通過(guò)D₄和R₄復(fù)位，Q₄的體二極管導(dǎo)通，Q₃的體二極管阻止Q₅的柵源電壓。二極管D₆在Q₃和Q₄的柵極施加一個(gè)高電壓，以保證T₁次級(jí)的復(fù)位電壓不會(huì)使Q₃進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。于是，所有晶體管都關(guān)斷，而Q₅的柵源電容保持在放電狀態(tài)。當(dāng)Q₁再次導(dǎo)通時(shí)，重復(fù)這個(gè)過(guò)程。

　　圖2是與一只1歐元硬幣和一支功率晶體管相比較的驅(qū)動(dòng)器原型電路。晶體管是Advanced Power Technology的APT40GF120JRD，包括一個(gè)IGBT和一個(gè)FRED（快恢復(fù)外延二極管），它工作在最高1200V和60A，柵源電容為4 nF。晶體管采用JEDEC SOT-227封裝，外形尺寸約為1.5英寸×1英寸 (38mm×25 mm)。圖3和圖4為圖1電路在 20 kHz驅(qū)動(dòng)IGBT Q₅的實(shí)驗(yàn)波形。導(dǎo)通延遲大約為600 ns，0.33W功耗時(shí)的總耗電為22 mA。當(dāng)驅(qū)動(dòng)晶體管的柵源電容較低時(shí)，電路的導(dǎo)通延遲和功耗均會(huì)減小。