2024年3月1日发(作者：)
嚷 刘 珊 ｄｏｉ：ｌＯ ３９６９０。ｉｓｓｎ．１５６３－４７９５．２０１ １。０８。０１５ 【编者按】电力电子器件是半导体功率器件的总称，是构成电力电子设备的基础，是从事电力电子 ０器件设计、研发、生产、营销和应用人员以及电源技术工作者应该熟悉的内容。本刊从今年４月份 ０开始以“电力电子器件知识”为题开展讲座，以满足广大读者增长知识和用好这些器件的需求。 欢迎厂家及用户的工程师们撰稿，并望提出宝贵意见。 ０ 。｜ Ｉ ｌｌ ｌ霉§％萋霉 ｌｌｌ １０ ∞０ ｌｌ ０麓 每０ 譬ｊ曩游 囊蓉獭蕾 ｊ 蠢 ０００：００ｌｌ ｌｌ １０ｌ ｌｌｌｉｌｌｌｌ ｌ…＿ｌｌ ｌ咆 咆皆画静细腻国磨（五） 功率场效应管的驱动电路 乔恩明 薛玉均 刘 敏（供稿） 本刊编辑部 张乃国（改编） １功率ＭＯＳＦＥＴ的驱动 ｆ３１为了使功率ＭＯＳＦＥＴ可靠的触发导通，驱 动脉冲电压应高于ＭＯＳＦＥＴ管的开启电压。为了防 电压控制型功率ＭＯＳＦＥＴ在稳态时其门极实际 止误导通。ＭＯＳＦＥＴ在截止时最好提供负的栅极电 上不取用电流，因此有可能直接通过逻辑门来触 压。另外，为使ＭＯＳＦＥＴ通态电阻较小，栅极驱动 发。然而当需要驱动大功率高频开关时，电荷必 脉冲电压通常较高，但不能接近ＢＶ岱。 须尽快传至门极电容或从其抽出，这就要求在开 ｆ４１功率ＭＯＳＦＥＴ开关时所需的驱动电流为栅 通和关断信号的起始段有很高的门极脉冲电流， 极输入电容的充放电电流。因ＭＯＳＦＥＴ的输入电容 单独的标准逻辑门自身并不能提供数值很高的正 较大．所需的开关驱动电流也较大。因此要保证 值脉冲驱动电流，也不能吸收ＭＯＳＦＥＴ等大功率器 ＭＯＳＦＥＴ的开关波形具有足够的上升和下降速度， 件门极电容在关断时所送出的数值也很高的负值 开关过程中的驱动电流就必须达到较大的数值。 脉冲电流，因而严重制约了开关频率的提高。所 以，为了充分利用电压控制型器件（尤其是超快 １．１栅极驱动电路的特点 ＭＯＳＦＥＴ）的高速能力，驱动器必须能输出和吸收 ｆ１）驱动电路简单。功率ＭＯＳＦＥＴ在直流状态 高值暂态脉冲电流。功率ＭＯＳＦＥＴ对栅极驱动电路 时，栅极无电流流过，因而栅极驱动电路简单。 的主要要求可归纳为如下几点： 为便于将功率ＭＯＳＦＥＴ和ＢＪＴ ｆ双极结型晶体管）电 ｆ１１触发脉冲要具有足够快的上升和下降速 路进行对照比较，在图ｌ中给出了高压变换器的输 度，即脉冲前后沿要求陡峭。 出级电路，它们分别采用功率ＭＯＳＦＥＴ和ＢＪＴ组成 （２１开通时以低电阻对栅极电容充电，关断时 驱动功率大致相同的两种电路形式。图１（ａ）为由 为栅极电荷提供低电阻放电回路，以提高ＭＯＳＦＥＴ ＩＲＦＢＦ３０型功率ＭＯＳＦＥＴ组成的输出级电路。功率 的开关速度。 ＭＯＳＦＥＴ器件的最大漏极电流为３．６Ａ，脉冲电流幅 值为１４Ａ，开关安全工作区电压为９００Ｖ。电路极其 收稿日期：２０１１－０６—２１ 简单。图１（ｂ）则由ＭＪ８０８５型ＢＪＴ组成的输出级电
刘 珊 （ａ）Ｍ０ＳＦＥＴ组成输出级电路 （ｂ）ＢＪＴ组成输出级电路 图１ ＭＯＳＦＥＴ与ＢＪＴ输出级的比较 路。该ＢＪＴ器件的最大集电极电流为３Ａ，安全工作 区电压为９００Ｖ。若在同样控制信号作用时，即输 入信号频率为１．７ｋＨｚ，脉冲宽度为３５０１￣ｓ，脉冲幅 值为１５Ｖ的条件下，为了驱动ＢＪＴ，不仅要采用推 挽式电路，而且要采用贝克箝位电路以保证开关 速度。驱动电路共有三只晶体管、四只二极管、 八只电阻和两只电容。显然，功率ＭＯＳＦＥＴ的驱动 电路要比ＢＪＴ的驱动电路简单得多。 ｆ２）驱动电路的负载为容性负载。功率ＭＯＳ— ＦＥＴ的栅极输入端相当于一个容性网络，因而功率 ＭＯＳＦＥＴ导通后即不再需要驱动电流。理想栅极驱 动电路的等效电路如图２所示。图中Ｓ。为等效开通 开关，Ｓ 闭合后接通充电回路。Ｓ 为等效关断开 关，Ｓ 控制输入电容Ｃ 的放电过程。Ｓ 和Ｓ 在任意 时刻总是处在一个闭合另一个断开的相反状态。 理想的栅极驱动电流波形如图３所示。由于工作速 度与驱动源内阻抗有关，同一只管子如希望开关 时间越短则所需的驱动电流峰值越大；为了能提 图２理想栅极驱动电路的等效电路 图３功率ＭＯＳＦＥＴ￣想的栅极驱动电流波形 供大的峰值电流，就要求驱动源内阻抗小；如开 关时间相同，寄生电容越大，所需的驱动电流也 越大。 １．２几种常用的栅极驱动电路 由于功率ＭＯＳＦＥＴ为压控器件，栅极驱动相对 就比较简单。用ＣＭＯＳ器件、ＴＦＬ器件等均可组成 栅极驱动电路，在需要隔离时，也可加上脉冲变 压器或光耦作为隔离器件。图４至图１７给出了几种 常用的栅极驱动电路。 ＋ Ｄ ＋ 。 ， 图５脉冲变压器／逆 程齐纳管驱动电路 ＋ Ｄ ， 图６脉冲变压器／加速二极管驱动电路
＋ 。 图７准推挽式变压器驱动电路 图８标准光耦合驱动电路 ６ —１Ｌ 几 图９宽带宽光耦合驱动电路 ＋ｌ５Ｖ 一璋 一 图１０高性能推挽 图１１驱动电路之一 瘫 高性能推挽 驱动电路之二 爵 ＋ Ｄ ｆ，． 图１２低功耗肖特基 图１３并联低功耗肖特基 ＴＴＬ驱动电路 ｒＩＴＩ１Ｌ驱动电路 ２功率ＭＯＳＦＥＴ的并联使用 为了增大ＭＯＳＦＥＴ的工作电流，可以把多个器 Ｕｔ￣Ｏｌ＂Ｊ ｌ垒 图１４带有上拉电阻的 图ｌ５缓冲器驱动一个互补 并联缓冲器驱动电路 型射极跟随器驱动电路 ６／６ ＣＣ４０４９ 图ｌ６并联６个ＣＭ０Ｓ 图１７ 两级驱动器驱动电路 反相器驱动电路 件并联应用。由于ＭＯＳＦＥＴ导通电阻Ｒ。 的温度 系数为正，因此并联运用时漏极电流具有自动均 衡作用。并联运用时需要注意下面几点： （１）在器件导通后，漏极电流的分配取决于Ｒ斑 ｆ０ｎ１，因此应该选取两只Ｒ璐『舳１相差不超过２０％的器 件并联，并且把并联器件安装在同一个散热器上。 ｆ２１在器件开通和关断瞬间，漏极电流的失配 主要取决于开关时间，如图１８所示。应该选取开 关参数一致的器件并联。也可以在栅极上串联一 个电阻，使并联器件的开关时间差异减小。为了 消除寄生参数的影响，在结构设计时，应该使并 联器件尽可能对称安装。 图１８在开通和关断瞬间漏极电流的分布 （３）影响开通过程和关断过程漏极电流分配的 另一个因素是开启电压和跨导。应该用图示仪选 取开启电压和跨导一致的器件并联。 （４）Ｍ０ＳＦＥＴ并联工作时常常容易发生振荡， 耕
知识讲座》》》 这种振荡发生在开通或关断瞬间，而且器件的跨 导越大越易振荡，这种振荡很容易使栅极因过压 而损坏。可以在栅极上串一个小电阻或在栅极引 线上套一个铁氧体磁珠来消除寄生振荡。为了防 止其他信号造成干扰，栅一源信号应采用绞合线连 接。 ３功率ＭＯＳＦＥＴ使用中的注意事项 ３．１ 防止静电击穿 由于功率ＭＯＳＦＥＴ具有极高的输入阻抗，因此 在静电较强的场合难以泄放电荷，容易引起静电 击穿。为了防止静电击穿，应注意以下几点： ｆ１）在测试和接人电路之前，器件应存放在抗 静电包装袋、导电材料或金属容器中，不能放在 塑料盒或塑料袋中。取用器件时应拿管壳部分而 不是引线部分。工作人员需通过腕带良好接地。 ｆ２）将器件接人实际电路时，工作台和烙铁都 必须良好接地。若烙铁无良好接地时也可采用将 烙铁断电进行焊接。 （３）在测试器件时，测量仪器和工作台都必须 良好接地。器件的三个电极未全部接人测试仪器 或电路以前，不许施加电压。改换测试范围时， 电压和电流都必须先恢复到零。 （４）注意栅极电压不要过限。有些型号的功率 ＭＯＳＦＥＴ内部输入端接有齐纳保护二极管，这种器 件栅源间的反向电压不得超过０．３Ｖ，对于内部未设 齐纳保护二极管的器件，应在栅源间外接齐纳保 护二极管或外接其他保护电路。 ３．２防止偶然性振荡损坏器件 功率ＭＯＳＦＥＴ在与测试仪器、接插盒等仪器的 输入电容、输人电阻匹配不当时，可能出现偶然 性振荡，造成器件损坏。因此，在用图示仪等仪 器测试时，在器件的栅极端子处外接１０ｋｌ￣串联电 阻．也可在栅源间外接约０．４７ｔｘＦ的电容器。 ３．３防止过电压 ｆ１）栅源间过压保护。因为栅源间的阻抗很 高，故漏源间电压的突变会通过极间电容耦合到 栅极而产生相当高的 电压过冲。这一电压会引 起栅源问氧化层的永久性损坏，如果是正方向的 瞬态电压，还会导致器件的误导通。为此要适 当降低栅极驱动电路的阻抗，在栅源之间并接阻 尼电阻．或并接约１８Ｖ的齐纳二极管。特别要防止 栅极开路工作。 ｆ２漏源问的过压保护。如果器件接有感性负 ２１载，则器件关断时，漏极电流的突变（ｄｉ／ｄｔ）会产 生比外电源还高的漏极电压过冲，导致器件的击 穿。 为防止器件损坏．最简单的防护方法是在感 性负载上接人一个钳位二极管。二极管将钳位掉 大部分瞬变电压，但不是全部。 将依然超过 ‰，超过数值是二极管正向恢复特性，二极管引 线电感和寄生串联电感影响的总和，如图１９所示。 图１９用钳位二极消除瞬变电压的电路 如果负载的串联电阻小于它的感抗，在ＭＯＳ— ＦＥＴ关断之后的一段时间内，简单的二极管钳位仍 可允许电流通过负载和二极管环路而循环流动． 产生振荡。当这种振荡电流太大，达到不可接受 时。可把一个电阻串联到二极管上，但这会增加 漏源端逆程电压的峰值。 用宽频带齐纳二极管限制漏源端瞬变电压是 另一种简单而有效的办法，如图２０所示。除了引 线电感的效应之外，齐纳管击穿所需的时间是可 以忽略的。齐纳管将把瞬态电压钳位在它的击穿 电压范围之内。由较慢的ｄ Ｄｓ／ 引起的瞬态电压将 被完全箝位掉，而由快的ｄｕＪｄｔ￣Ｉ起的瞬态电压可 能瞬时超过齐纳管击穿电压的值。显然，齐纳管 的功率额定值，应保证它能把钳位能量完全耗散 掉。 图２１是一个ＲＣ钳位网络。电容在整个开关周 期内维持几乎恒定的电压值，仅当瞬态过程时电容 吸收能量，而在其余时间内把能量馈送给电阻器。 虽然这是一个通用的有效电路。但ＭＯＳＦＥＴ的 开关速度产生的瞬态可能太 ｆ下转第６０页１
芯的形状繁多，有柱形、工字形、螺纹形、双孔 形、４孑Ｌ形、王字形、罐形、单孑Ｌ形、ＲＭ形、Ｕ字 形、ＥＣ形、ＰＱ形、ＥＩ形、ＥＰ形等。 磁芯所用材料为软磁铁氧体材料，分为两大 类：镍锌铁氧体和锰锌铁氧体。镍锌材料的初始导 磁率似比较低约１０～１５００，使用频率从五百千赫至 几百兆赫。锰锌材料的初始导磁率 约从４００～ １００００，使用频率从几千赫至几百千赫。两种磁芯 图１磁性天线分段绕法 材料通常用ＮＸＯ（镍锌铁氧体）和ＭＸＯ（锰锌铁氧 体１表示。 的线圈骨架以提高Ｑ值。如在高频工作情况下可选 用高频瓷、聚四氟乙烯、聚苯乙烯等材料作骨架。 如果知道了磁芯的电感系 ，ｌ的数值和需要的 在超高频段使用的线圈应是无骨架的。 电感量￡，就可以算出需绕的圈数Ⅳ： Ⅳ＿、／ ４绕制磁芯线圈时常用的磁芯有哪几种？ 磁芯是绕制各种磁芯线圈必不可少的材料。磁 式中， 为电感（ｎＨ）。圈 （节选自沈长生《常用电子元器件使用技巧》） 程时才消耗能量，但ＲＣ缓冲器在管子不再受到应 力的稳态时间也吸收能量。这种结构由于增加了漏 源之间电容的放电，也使导通的时间变慢。 ３．４防止过电流 图２Ｏ 用齐纳二极管消除 图２１ 采用 Ｃ钳位网络的 容性负载的突然接入或切除，均可能产生很 瞬变电压的电路 吸收消除瞬变电压的电路 高的冲击电流和电压，以致超过 眦１的最大额定 值，此时必须用电流互感器和控制电路使器件回 路迅速断开。 在脉冲应用时，不仅要保证峰值电流，ＤＫ不超 过最大额定值，而且还要保证其有效值电流，ＤＫ・ 快以致于这种方法来不及对它进行衰减。如果逆 程电压在前５０ｎｓ就达到峰值，则箝位二极管的正向 恢复特性以及线路杂散电感将削弱这个电路的保 护效能。当齐纳管接人漏源端时，连线的长度应 足够短，齐纳管的响应速度应快到足以吸收掉大 部分瞬变电压。由于齐纳管仅用来限制最初的逆 程电压的峰值，而不是吸收电感上的全部能量， 、／Ｄ也不超过。其中Ｄ为占空比。 性能指标中给出的连续电流的最大额定值， 并不表示实际应用中器件能允许使用的连续电流， 因为功率ＭＯＳＦＥＴ还要考虑导通电阻功耗的限制。 因此齐纳管的功率额定值可小于只单独用箝位元 件所需的值。 使用中应根据导通电阻并结合器件的结一壳热阻来 另一种保护功率ＭＯＳＦＥＴ 免受大的瞬变电压伤害的方 法。是使用如图２２所示的ＲＣ ｌＯ————＿Ｊ 正确选用电流容量。圈 作者简介 缓冲网络。虽然它也能有效 的降低峰值漏极电压，但不 位电路应当只在发生瞬态过 乔恩明，武汉雷升电子有限公司，高级工程师。 薛玉均，重庆长安工业公司，技术处主任，硕士，高 级工程师。 图２２ 采用ＲＣ缓冲器 如尺Ｃ箝位电路那么有效。钳 吸收瞬变电压的电路 刘敏，空军雷达学院，物理实验室主任，副教授。
