桥式拓扑结构功率MOSFET驱动电路设计

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1、图1半桥式拓扑的等效电路桥式拓扑结构功率MOSFET驱动电路设计作者：吴风江，高昭嘤，孙力时间：2007-04-17来源:摘要：针对桥式拓扑功率MOSFET因栅极驱动信号振荡产生的桥臂直通问题，给出了计及齐寄生参数的驱动电路等效模型，对栅极驱动信号振荡的机理进行了深入研究，分析了驱动电路各参数与振荡的关系，并以此为依据对驱动电路进行参数优化设计，给出了实验波形。理论分析和实验结果表明，改进后的驱动电路成功地解决了驱动信号的振荡问题，从而保证了功率MOSFET能够安全、可靠地运行。关键词：振荡；驱动电路；桥式拓扑结构功率MOSFET以其开关速度快、

2、驱动功率小和功耗低等优点在中小容量的变流器中得到了广泛的应用。当采用功率MOSFET桥式拓扑结构时,同一桥臂上的两个功率器件在转换过程屮，栅极驱动信号会产生振荡，此时功率器件的损耗较大。当振荡幅值较高时，将使功率器件导通，从而造成功率开关管直通而损坏。目前常用的解决方法是在MOSFET关断时在栅极施加反压，以削弱振荡的影响，但反压电路却占用空间，同时增加了成本。本文在深入分析了MOSFET栅极振荡产生机理基础上，设计了硬件驱动电路。理论分析和实验结果表明，采用本文所提出的方法，只需增加较少的器件就能够最大程度地抑制振荡。栅极驱动信号振荡的产生机理

3、山功率MOSFET的等效电路可知，3个极间均存在结电容，栅极输入端相当于一个容性网络，驱动电路存在着分布电感和驱动电阻，此时的桥式逆变电路如图1所示。以上管开通过程为例，当下管V2己经完全关断时，栅源极同电位。在上管开通过程中，设上管开通时间为仙，言流母线电压为E,由于开通过程时间很短，其漏源极电压迅速由立流母线电压下降到近似零，相当于在下管V2漏源极间突加-•个电压E,形成很高的dv/dto该dv/dt的数值与上管V1的卄通速度有关，可近似认为(1)dv/cir=e/丘此时虽然下管已经完全关断，但是该dv/dt因结电容Cgd2的存在而对栅源极状

4、态产生影响。该dv/dt产牛•的位移电流为dr皿在下管V2栅极产牛的电压为V"2(s)=iZ2(s)r£?dT2Ces?+RqCes十1仏对其进行拉氏反变换可得M^(f)=，严(1・Cm严)•寸X(4)/onCfC2cw$iii((tr+弔Ot=Rti/2L2i(i)=[(/liC)-(R12/式中：4zJ)]£4taif'((t/odo111上式可知，当上管开通时会在下管栅极产生阻尼衰减振荡信号，如图2所示。同理，当上管关断、下管开通时，上管栅极也同样会产生振荡，只是相位与前者相反，其幅值可以表示为由于振荡频率很臥使MOSFET处于离频开关状

5、态，产生很大的开关损耗。更严重旳是若振荡的幅值达到MOSFET的门槛电压，下管将开通，而上管正处于导通状态，此时将造成上下功率管的直通现象，造成MOSFET的扌贞坏。以上现象可以通过调整驱动电路参数加以抑制。//ns(20()ns/

6、J5)图2栅极振荡T•扰实测波形驱动电路的改进减小分布电感若取极限情况，驱动电路的分布电感为零，则驱动信号由式(3)简化为如下形式zz＞（5）=c；d2对其进行拉氏反变换得Cxdlt/TC'fi2/on式中'S=Rg2Cgs2。由上式可刘此时振荡已经变为指数衰减形式，在t=0时为最人值Czd：ILC'”2/on由上述

7、分析可知，分布电感主耍影响驰动信号振荡的暂态表现形式，若尽最减小分布电感，可使驱动信号由阻尼振荡变为指数衰减，即可消除MOSFET的高频开关损耗。同时亦可一定程度上降低振荡幅值。因此在设计电路时应该尽戢使驱动芯片靠近MOSFET,并减小闭合冋路所围的而积。如用导线连接应该使用双绞线或使用同轴电缆，以尽屋i减小分布电感。开通和关断时间的配合与调整由式(5)和式(8)可知，MOSFET的开逋时间是影响驱动信号振荡幅值的主要因索，呈反比例关系。若适当增大器件的开逋时间，即可在很大程度上减小振荡幅值，因此考虑在驱动芯片与MOSFET栅极间加设缓冲电路，即

8、人为串接驰动电阻，在MOSFET栅源极间并联电容以延长栅极电容的充电时间，降低电压变化率。而MOSFET的关断时间与开逋时间存在着一定的矛盾，若单纯増大开逋时间，必然也増大了关断时间，而从减小死区时间角度，希望关断时间短一些，因此考虑调整MOSFET的开通和关断时间，在驱动电阻上反并联快恢复二极管，改变MOSFET开通和关断的时间常数，在开通时为减小dv/dt的应力，増加栅极的充电时间，而关断时间应短一些，以使用较短的死区时间减小输出波形的谐波含最，电路如图3所示。通过以上措施，可以实现在增大开通时间，减小电圧变化率的同时，保证了较短的关断时间。

9、图3改进后驱动电路理论上，开通时间越长dv/dt应力越小，振荡产牛•的干扰效果就越不显著，但是由MOSFET开关损耗近似公式P=Zm[(