徐平凡，肖文勛，劉承香

（1.中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，廣東中山528404；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州510640；3.深圳艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司，廣東深圳518000）

1 引言

在橋式變換器中，高頻干擾信號(hào)是導(dǎo)致變換器中上下橋臂MOSFET 發(fā)生直通的主要原因。功率器件高速通斷過程中產(chǎn)生高頻振蕩干擾信號(hào)，當(dāng)干擾信號(hào)尖峰電壓幅值達(dá)到MOSFET的門檻電壓時(shí)，MOSFET 誤導(dǎo)通，造成橋臂的直通問題［1-4］。

目前，解決干擾問題的主要方法有［5-8］：干擾反相消除技術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)、混沌擴(kuò)頻技術(shù)、改進(jìn)電路布局和布線工藝、減少電路中的寄生電感等。但這些措施普遍存在電路復(fù)雜等缺點(diǎn)，實(shí)用性不高。傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路主要采用推挽結(jié)構(gòu)加隔離變壓器，結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但對(duì)干擾信號(hào)幅值無(wú)抑制作用。

本文設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單新穎的驅(qū)動(dòng)電路，通過抑制干擾信號(hào)的尖峰電壓幅值，避免橋式電路中上下橋臂MOSFET的誤導(dǎo)通。

2 干擾信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理

考慮到MOSFET 及驅(qū)動(dòng)電路中的寄生電容和電感等參數(shù)，得到橋式變換器中MOSFET在關(guān)斷狀態(tài)下的等效模型，如圖1 所示。當(dāng)干擾信號(hào)尖峰電壓達(dá)到導(dǎo)通閥值電壓Vth時(shí)，載流子迅速增加，使MOSFET導(dǎo)通。

圖1 MOSFET管等效模型Fig.1 Equivalent model of MOSFET

在上橋臂MOSFET T1開通的瞬間，下橋臂MOSFET T2的漏源極產(chǎn)生很高的dv/dt，MOSFET的開關(guān)速度越快，dv/dt將越大。假設(shè)MOSFET的開通時(shí)間為ton，則dv/dt近似為

當(dāng)下橋臂MOSFET T2關(guān)斷時(shí)，直流母線電壓完全加在MOSFET 的寄生電容CGD和CDS上，則dv/dt產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)電流為

該電流在下橋臂MOSFET T2柵極產(chǎn)生的電壓為

式（3）中，由于分子項(xiàng)RG2的值大于1 Ω，而LG2僅為幾十到幾百nH，因此，RG2/LG2的數(shù)量級(jí)在1010以上。因此SLG2的值相對(duì)較小，可忽略，式（3）可以簡(jiǎn)化為

根據(jù)控制理論穩(wěn)定性分析，可得以下2 種情況：

1）當(dāng)分母值較小時(shí)。則上橋臂MOSFET T1開通會(huì)在下橋臂MOSFET T2的柵極產(chǎn)生阻尼振蕩，阻尼振蕩產(chǎn)生的條件為

即

由上式可知，當(dāng)柵極電阻RG越小，柵極寄生電感LG2越大，則MOSFET 的柵極越容易產(chǎn)生阻尼振蕩。

通過對(duì)式（3）進(jìn)行反拉氏變換可以得到振蕩信號(hào)的最大幅值為

2）當(dāng)分母值較大時(shí)，則上橋臂MOSFET T1的開通會(huì)在下橋臂MOSFET T2的柵極產(chǎn)生指數(shù)衰減形式的振蕩干擾。通過反拉氏變換，信號(hào)振蕩幅值最大為

同理，當(dāng)上橋臂MOSFET 關(guān)斷，下橋臂MOSFET開通時(shí)，上橋臂MOSFET柵極也同樣會(huì)產(chǎn)生高頻振蕩。振蕩電壓的幅值若達(dá)到MOSFET 的門檻電壓時(shí)，引起MOSFET 的誤導(dǎo)通，使上下橋臂的MOSFET直通，導(dǎo)致橋式變換器的損壞。因此抑制MOSFET 柵極的振蕩尖峰電壓的幅值可有效降低橋臂直通的風(fēng)險(xiǎn)。

3 改進(jìn)型驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種可有效抑制干擾信號(hào)幅值的驅(qū)動(dòng)電路，如圖2所示。

圖2中，PWM A和PWM B分別為上下橋臂的驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)，T1為驅(qū)動(dòng)隔離變壓器，Vcc電壓為15 V，VT1和VT2分別為橋式變換器中的上下橋臂MOSFET。

1）D1，D2是在變壓器換流時(shí)提供換流的通道，使電容C3上的電壓能夠快速釋放，以提高M(jìn)OSFET 的開關(guān)速度。D3，D4形成了原邊嵌位，當(dāng)脈沖變壓器副邊的驅(qū)動(dòng)電壓尖鋒抑制耦合到原邊，通過二極管D3，D4的嵌位，保證了電壓尖鋒的幅值不會(huì)超過驅(qū)動(dòng)電壓。

2）輔助電容C4，C5作用相當(dāng)于一個(gè)上負(fù)下正的電壓源，與三極管Q5，Q6一起，在MOSFET關(guān)斷的時(shí)候能夠加速抽取MOSFET 柵極電荷，實(shí)現(xiàn)功率MOSFET 快速的關(guān)斷，而且保證負(fù)壓關(guān)斷。

3）L1和L2為飽和電感，用于抑制高頻干擾信號(hào)的尖峰值。

圖2 新型橋式驅(qū)動(dòng)電路Fig.2 A novel driving circuit of bridge converter

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)電路的工作性能，將該電路應(yīng)用于一臺(tái)3 kW（15 V/200 A）ZVS 移相全橋變換器樣機(jī)。樣機(jī)參數(shù)為：三相交流輸入電壓Uin=380（±20%）；額定輸出電壓為Uo=15 V。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路改進(jìn)前后電壓波形對(duì)比Fig.3 Voltage waveforms comparison of driving circuit before and after the improvement

本文驅(qū)動(dòng)電路（電壓波形見圖3）中，三極管Q1，Q2和Q3，Q4分別是SS9014 和SS9015；二極管D1，D2，D5，D7型號(hào)為BYV26E；鉗位二極管D3，D4型號(hào)為BYV26C；快速二極管D6，D8型號(hào)為FR207G；電容C3，C4的值為10～14 nF。

圖3a 為改進(jìn)前驅(qū)動(dòng)電壓波形；圖3b 為改進(jìn)后的驅(qū)動(dòng)電壓波形。由圖3a可知，MOSFET高頻通斷給驅(qū)動(dòng)電路和原邊主電路帶來了嚴(yán)重的EMI問題，從圖3中虛線標(biāo)示部分可看出，在上橋臂關(guān)斷過程中，下橋臂的尖峰干擾信號(hào)幅值達(dá)到5 V以上，可能引起上下橋臂的直通問題；添加抑制措施可有效消除干擾的影響，如圖3b顯示改進(jìn)后的驅(qū)動(dòng)電路能有效抑制干擾電壓尖峰。

5 結(jié)論

本文詳細(xì)分析了MOSFET 開關(guān)暫態(tài)過程及高頻振蕩干擾信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理，設(shè)計(jì)制作了一種新穎的驅(qū)動(dòng)電路，通過抑制干擾信號(hào)的尖峰電壓幅值，降低橋式變換器中上下橋臂的直通風(fēng)險(xiǎn)，與傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該驅(qū)動(dòng)電路的可行性，干擾信號(hào)的尖峰電壓幅值完全抑制在MOSFET 的門檻電壓以下。該電路已經(jīng)應(yīng)用于3 kW（15 V/200A）的開關(guān)電源中，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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