Abstract：Complementary MOSFET is used widely in power switch circuits. There are two types of drive circuits that often used here to drive MOSFET, optocoupler device and the transformer-isolated device. However, the former needs auxiliary power supply and response slowly, so we take pulse transformer instead. There are some problems to be solved in the applications of the latter, such as the release of energy stored in the inductor, the idealization of the waveform, the range of the duty, etc.
This optimized design of the transformer-isolated gate drive circuit of MOSFET is completed with the OrCAD software, the simulations and verifications are carried out to confirm whether these problems are solved. Then, the circuit is manufactured with actual devices, the tests show that the results of the simulations and verifications meet the actuality much close.
Key words：Complementary MOSFET, Pulse transformer, Transformer-isolated gate drive circuit

摘要：随着MOSFET的应用日益广泛，在一些特殊场合常常会使用到互补MOSFET。本文针对互补MOSFET的驱动问题进行了深入讨论，比较了常用的驱动电路，提出了一种针对互补MOSFET设计的新型驱动电路，并通过仿真验证了结果。
关键词：互补MOSFET，脉冲变压器，隔离驱动电路
引言
随着电力半导体器件的发展[1-2]，已经出现了各种各样的全控型器件，最常用的有适用于大功率场合的大功率晶体管(GTR)、适用于中小功率场合但快速性较好的功率场效应晶体管(MOSFET)以及结合GTR和功率MOSFET而产生的功率绝缘栅控双极晶体管(IGBT)。在这些开关器件中，功率MOSFET由于开关速度快,驱动功率小,易并联等优点成为开关电源中最常用的器件，尤其在为计算机、交换机、网络服务器等通信电子设备提供能量的低压大电流开关电源中。随着MOSFET的应用日益广泛，在一些特殊场合常常要使用到互补的MOSFET，本文针对这个问题提出了一种针对互补MOSFET电路设计的驱动电路。
功率MOSFET对驱动电路的要求:
功率MOSFET是电压型驱动器件[2]，没有少数载流子的存贮效应，输入阻抗高，因而开关速度可以很高，驱动功率小，电路简单。但功率MOSFET的极间电容较大，其等效电路如图1所示，输入电容Ciss，输出电容Coss和反馈电容Crss与极间电容的关系可表示为：
Ciss  =  Cgs  + Cgd
Coss  =  Cds  + Cgd
Crss  =  Cgd
功率MOSFET的栅极输入端相当于一个容性网络，它的工作速度与驱动源内阻抗有关。理想的栅极驱动电路的等效电路如图所示，由于Ciss的存在，静态时栅极驱动电流几乎为零，但在开通和关断动态过程中，仍需要一定的驱动电流。
 

MOSFET对驱动电路通常要求:触发脉冲具有足够快的上升和下降速度;②开通时以低电阻为栅极电容充电，关断时为栅极提供低电阻放电回路，以提高功率MOSFET的开关速度;③为了使功率MOSFET可靠触发导通，触发脉冲电压应高于管子的开启电压，为了防止误导通，在其截止时应提供足够负的反向栅源电压;④功率开关管开关时所需驱动电流为栅极电容的充放电电流，功率管极间电容越大，所需电流越大，即带负载能力越大。
几种常见实用驱动电路的比较
1.直接驱动电路
比较简单又比较可靠的驱动方式是使用集电极开路的TTL按图2所示与功率MOSFET连接[3]。这种方式可以产生足够高的栅压使器件充分导通，并保证较高的关断速度。由于外接负载电阻RL须有一定大小，以限制TTL的低电平输出晶体管的功率耗散，因而这种驱动方式的开通速度不够高。
 

2.隔离驱动电路
通常隔离驱动电路按隔离方式基本上可分为光耦隔离驱动电路和脉冲变压器隔离驱动电路两类。由于光耦本身特性的限制，其工作频率最高只有40k Hz左右，在高频场合的应用受到限制。隔离驱动电路的缺点是需要增加辅助电源，有的还要正负极性的电源，这就使得电路复杂，成本增加。图3a所示的驱动电路，虽然电路简单，不需辅助电源，但是由于变压器的工作特点，驱动信号占空比很大时会导致加在 MOSFET栅极的负向脉冲幅值很大，容易损坏管子。而占空比很小时栅极的负向电压很低，而且只能维持很短的时间，不能保证可靠关断。栅射之间并联的稳压管能限制电压，但是将会对信号的边沿产生影响。图3b所示电路虽然能够提供可靠的关断负压，但是仍然存在驱动信号边沿不陡的问题，限制了驱动频率。
 

互补MOSFET的隔离驱动电路设计
工作原理
 

驱动电路如图所示[4]，以正向电路为例，频率为50kHz脉冲信号，通过高频脉冲变压器耦合去驱动功率MOSFET管，次级脉冲电压为正时，MOSFET导通，在此期间Q3截止，由其构成的泄放电路不工作。当次级脉冲电压为零时，则Q3导通，快速泄放MOSFET栅极电荷，加速MOSFET的截止。R7是用于抑制驱动脉冲的尖峰，R9，D3，R11，D5，R13可以加速驱动并防止驱动脉冲产生振荡。由D7， D9构成的电路对电压波形的负向进行削波，由D11， D13构成的电路对电压波形的正 向进行削波，D1和与它相连的脉冲变压器绕组共同构成去磁电路。
仿真波形结果：
 
 

本文作者创新点：针对目前对MOSFET应用日益广泛，在一些特殊场合常常会用到互补MOSFET而各类文献中较少涉及互补MOSFET的驱动问题，提出了对互补MOSFET的驱动电路设计，并通过仿真对结果进行了验证。
参考文献：
[1] 史剑波，何一卿，曹家麟，冉峰，张齐，一种新型的交流稳压电源，《微计算机信息》2004年第20卷第7期，108-109页。
[2] 鲁莉容，李晓帆，蒋平，功率MOSFET高速驱动电路的研究，《电力电子技术》2001年第12期，45-47页。
[3] 刘星平，功率场效应管驱动电路的研究，《电气开关》2002年第2期，1-2页。
[4] 薛红兵，一种输出电压4—6V开关稳压电源的设计，http://www.willar.com

作者简介：
金一鸣 男 汉族1981年生，硕士研究生，现就读于上海大学微电子研究与开发中心。研究方向为AC-AC新型交流稳压电源设计
通信地址：上海市延长路149号上海大学微电子中心。 邮编：200072。
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