隔离式FET脉冲驱动器原理及设计

隔离式FET脉冲驱动器原理及设计

三相控制整流器和变换器、矩阵循环换流器以及级联功率级一般都含有大量功率晶体管，每支晶体管都有自己的驱动电路。图1中的电路用1kHz ~ 200kHz频率的全占空比脉冲驱动一个容性输入功率器件，如MOSFET或IGBT（绝缘栅双极晶体管）。一只变压器起隔直作用，电路在15V初级电源电压下只消耗少量功率。采用具有输入电容高达5 nF的几只MOSFET和IGBT，测试满意，该驱动器通过调整驱动器晶体管、耦合变压器以及一些无源元件，可以适应更大电流的功率晶体管。晶体管Q₁和Q₂通过耦合变压器T₁向晶体管Q₃和Q₄传送约1ms持续时间的脉冲，分别为功率晶体管Q₅的栅源输入电容充、放电。Q₁产生的充电脉冲开始于驱动控制信号的上升沿，而Q₂产生的放电脉冲则开始于控制信号的下降沿。微分电路包括C₁、R₁、电位器P₁的一部分、C₂、R₂以及P₁的其余部分，它设定了充、放电脉冲的持续时间。必要时，调整P₁的设置可以改变 Q₅栅极上正、负充放电电压的平衡。

　　晶体管Q₃和Q₄分别为Q₅的输入电容传输充、放电脉冲，然后关断，在Q₅输入电容两端产生一个高阻抗，使Q₅栅极电压不能发生变化，除了由于微小的泄漏电流而缓慢放电之外。因此，驱动器电路只在栅源充、放电过程的短暂间隔中消耗能量。

　　当晶体管Q₁~ Q₄关断时，电阻器与二极管R₃、D₃、R₄和D₄构成变压器T₁的消磁电流路径。尽管它们在多数时间是反向偏置的，二极管D₅和D₆构成了一个峰值振幅鉴别器，成为一个逻辑OR电路，以保证Q₃和Q₄的栅极电压总是等于或大于Q₅栅源电容正端上的电压。

　　电阻器R₅和R₆限制了为Q₅栅源电容的充、放电速率，并可以根据Q₅的驱动特性而变化。变压器T₁采用飞利浦3E5铁氧体材料的RM5/I芯，有一个中央抽头， 20匝初级绕组和12匝次级绕组，两者均使用0.2 mm直径、0.008英寸的AWG ＃32漆包线。

　　当晶体管Q₁导通时，在T₁的次级绕组中产生一个正电压，使P沟道MOSFET Q₃接通，并驱动Q₄的内部二极管进入导通状态，开始为Q₅的栅源电容充电。Q₃的导通电阻决定了充电速率。充电结束有两种情况：脉冲结束；或当Q₅的栅源电压近似于T₁的次级电压减去Q₃的栅极阈值电压。

　　然后，Q₃关断，允许充电电流衰减为零，电容达到其最大正向充电状态。当Q₁关断时，变压器T₁的磁化电流通过R₃和D₃复位。T₁次级绕组的电压略偏负，以补偿磁芯的伏秒特性，此特性会在无电流时正向偏置Q₃的体二极管，而Q₄的体二极管会阻止Q₅的栅源电压放电。

　　在Q₄栅极上施加的负电压不会使Q₄导通，因为二极管D₅的正向压降使Q₄的栅极电压高于Q₅的栅极电压。因此，Q₅的输入电容保持在充电状态，而复位路径对此电容保持高阻状态。当Q₂导通时，出现在T₁初级的负电压使Q₄导通，开始放电过程。当Q₄的栅源电压等于其阈值电平，或当脉冲结束时，充电过程终止。然后，Q₄关断，而Q₅的栅源电容达到最小负电压。当Q₂关断时，T₁的磁化电流通过D₄和R₄复位，Q₄的体二极管导通，Q₃的体二极管阻止Q₅的栅源电压。二极管D₆在Q₃和Q₄的栅极施加一个高电压，以保证T₁次级的复位电压不会使Q₃进入导通状态。于是，所有晶体管都关断，而Q₅的栅源电容保持在放电状态。当Q₁再次导通时，重复这个过程。

　　图2是与一只1欧元硬币和一支功率晶体管相比较的驱动器原型电路。晶体管是Advanced Power Technology的APT40GF120JRD，包括一个IGBT和一个FRED（快恢复外延二极管），它工作在最高1200V和60A，栅源电容为4 nF。晶体管采用JEDEC SOT-227封装，外形尺寸约为1.5英寸×1英寸 (38mm×25 mm)。图3和图4为图1电路在 20 kHz驱动IGBT Q₅的实验波形。导通延迟大约为600 ns，0.33W功耗时的总耗电为22 mA。当驱动晶体管的栅源电容较低时，电路的导通延迟和功耗均会减小。