董 碩，陳 輝，許 娟，陸文斌，王正之

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

0 引 言

DC－DC電源是星載供電系統(tǒng)中的重要組成部分，開關(guān)MOS管開關(guān)速度快、可靠性高，普遍應(yīng)用于星載DC－DC開關(guān)電源中。隨著星載DC－DC電源不斷朝著小型化的方向發(fā)展，開關(guān)頻率越來越高，在高速開關(guān)情況下，MOS管的工作情況會對DC－DC開關(guān)電源的性能產(chǎn)生重大影響，因此必須根據(jù)MOS管的實際使用情況，設(shè)計合適的驅(qū)動電路，保證MOS管工作在最佳狀態(tài)。MOS管驅(qū)動電路主要分為非隔離驅(qū)動電路和隔離型驅(qū)動電路兩類。非隔離驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，設(shè)計方便；隔離型驅(qū)動電路將控制端與功率端隔離，適用范圍廣，可靠性高。這兩類驅(qū)動電路各有特點，可應(yīng)用于不同的星載DC－DC電源結(jié)構(gòu)中。

1 MOS管的工作原理

1.1 MOS管的等效電路模型［1，2］

MOS管是一種電壓型驅(qū)動器件，由于沒有少數(shù)載流子的存貯效應(yīng)，輸入阻抗非常高，使得MOS管可以獲得很高的開關(guān)速度。但受MOS管自身結(jié)構(gòu)影響，MOS管內(nèi)部存在著寄生電容，會影響到MOS管的開關(guān)速度。以常用的增強型N溝道MOS管為例，其等效模型如圖1所示。其中柵源級電容Cgs和柵漏極電容Cgd與MOS管的結(jié)構(gòu)有關(guān)，漏源級電容Cds與MOS管的PN結(jié)有關(guān)。MOS管的柵極相當于一個容性網(wǎng)絡(luò)，會造成MOS管驅(qū)動信號與MOS管開關(guān)狀態(tài)之間出現(xiàn)延遲，影響MOS管的實際開關(guān)速度。

圖1 MOS管內(nèi)部等效電路模型

1.2 MOS管的工作過程

MOS管存在一個柵極門限電壓Ugs（TH），當 MOS管柵源級電壓高于門限電壓Ugs（TH），MOS管漏、源兩級開始導(dǎo)通。然而由于圖1中MOS管極間電容的存在，使得MOS管驅(qū)動電壓的建立存在一定延遲，實際驅(qū)動電壓建立過程如圖2所示。

在t0～t1時刻，柵極電流主要為柵源級電容Cgs充電，柵源級電壓緩慢上升，直至柵極電壓達到Ugs（TH）。在此期間MOS管未開通，漏源級電壓不變，漏極電流為0。

t1～t2時刻，柵源級電壓超過 MOS管門限電壓Ugs（TH），柵極電流繼續(xù)為電容 Cgs及電容 Cgd充電，柵極電壓持續(xù)升高，MOS管漏極電流開始增加，漏源級電壓基本維持不變。

t2～t3時刻，MOS管漏極電壓開始逐漸下降，柵漏級電容Cgd開始放電，柵極電流主要為Cgd放電電流，此時柵源級驅(qū)動電壓會出現(xiàn)一個暫態(tài)電壓平臺。

t3～t4時刻，MOS管處于完全導(dǎo)通狀態(tài)，柵極電流為電容Cgs及電容Cgd充電完成，柵源級電壓上升至驅(qū)動電壓水平。

圖2 MOS管驅(qū)動過程

MOS管的關(guān)斷過程與導(dǎo)通過程相反，極間電容需要進行放電，放電能量與充電能量相同。

2 MOS管基本驅(qū)動要求

在DC－DC電源中，開關(guān)MOS管主要存在兩種損耗，導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。為了減少開關(guān)損耗，就需要提高開關(guān)速度。為了提高開關(guān)速度，就需要減少圖2中t0～t4的時間，因此需要較大的電流為極間電容進行充放電。在柵源極驅(qū)動電壓建立起來之后，柵極只流過納安數(shù)量級的電流，柵極的驅(qū)動電流基本可以忽略。因此為了快速驅(qū)動MOS管，不僅需要足夠高的驅(qū)動電壓，還需要提供足夠大的峰值驅(qū)動電流。當MOS管關(guān)斷時，MOS管柵極電容需要進行放電，還需設(shè)計合理的放電回路。

MOS管峰值驅(qū)動電流可由式（1）進行計算。

式中，dU為驅(qū)動電壓；C為MOS管的柵極等效電容；dt為驅(qū)動電壓上升時間，即圖2中t0～t3的時間。柵極等效電容可由式（2）得出

式中，Qg為MOS管總柵極電荷。

3 非隔離型MOS管驅(qū)動電路

非隔離型MOS管驅(qū)動電路是一種直接驅(qū)動MOS管的方式，在星載DC－DC電路中的應(yīng)用如圖3所示。在星載DC－DC電源中，通常要求母線電壓與輸出電壓隔離，因此采用非隔離驅(qū)動電路時，為了實現(xiàn)電源的初次級隔離，還需要將DC－DC的反饋端進行隔離設(shè)計，將輸出電壓進行隔離采樣反饋回PWM控制電路中［3］。

圖3 非隔離MOS管驅(qū)動電路的應(yīng)用

3.1 普通MOS管驅(qū)動電路

對于MOS管開關(guān)時間要求不高的電路，通常采用圖4所示MOS管驅(qū)動電路。其中R1用于控制MOS管開通時的波形上升時間，并有限流作用；電阻R2用于為MOS管關(guān)斷提供泄流通路。圖5為電阻R1分別為1Ω和5Ω情況下的MOS管柵極電壓變化情況。從圖中可以看出，電阻越小，MOS管柵極電壓的建立速度越快，開通速度越快。但開通速度過快會引起引線上的等效電感產(chǎn)生較高的電壓尖峰，影響EMI性能。同時，較小的電阻R1會使引線電感與MOS管極間電容之間的振蕩加大。因此，應(yīng)用中需根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)R1來調(diào)節(jié)MOS管的開關(guān)速度。

圖4電路中通過電阻R2為MOS管提供關(guān)斷時的電流泄放回路，其阻值通常在10 kΩ～20 kΩ，MOS管在關(guān)斷時的速度較慢，因此該電路適用于開關(guān)速度不高的場合，可滿足大多數(shù)低速開關(guān)MOS管的應(yīng)用。

圖4 普通MOS管驅(qū)動電路

圖5 驅(qū)動電壓仿真波形

3.2 圖騰柱MOS管驅(qū)動電路

對于高壓大功率MOS管，其寄生電容通常較大，需要較大的驅(qū)動電流進行驅(qū)動，而開關(guān)電源中常用的PWM控制芯片所提供的驅(qū)動電流通常較小，無法滿足MOS管高速驅(qū)動要求。在此條件下，可采用圖騰柱MOS管驅(qū)動電路，電路原理圖如圖6所示。當PWM信號為高電平時，三極管Q1導(dǎo)通，三極管Q2關(guān)斷，三極管Q1對驅(qū)動電流進行放大后驅(qū)動MOS管快速導(dǎo)通；當PWM信號為低電平時，三極管Q1關(guān)斷，三極管Q2導(dǎo)通，MOS管柵源級電容通過三極管Q2放電，實現(xiàn)快速關(guān)斷。通過采用Q1、Q2所組成的圖騰柱對MOS管進行驅(qū)動，可實現(xiàn)以較小的控制電流高速驅(qū)動MOS管。

圖6 圖騰柱驅(qū)動電路

圖7為圖騰柱MOS管驅(qū)動電路與普通MOS管驅(qū)動電路的關(guān)斷時的仿真波形對比，從圖中可以看出，圖騰柱MOS驅(qū)動電路的關(guān)斷速度明顯快于普通MOS管驅(qū)動電路。

圖7 關(guān)斷波形對比

3.3 非隔離高邊MOS管驅(qū)動電路

由于N溝道MOS管同P溝道MOS管相比，價格更低、導(dǎo)通速度更快、導(dǎo)通阻抗更低，使得大多數(shù)星載開關(guān)電源中普遍采用N溝道MOS管。N溝道在開關(guān)電源應(yīng)用中，很多時候會作為高邊開關(guān)器件，如圖8中所示的半橋開關(guān)電源電路中的MOS管Q1。對于這種高邊MOS管，通常采用集成電荷泵式自舉驅(qū)動器進行驅(qū)動［4］。

圖8 半橋開關(guān)電源電路

常用的集成電荷泵式自舉驅(qū)動電路工作原理圖如圖9所示。當PWM控制信號為低電平時，集成驅(qū)動芯片中的開關(guān)Q1關(guān)斷，開關(guān)Q2導(dǎo)通，MOS管Q3柵源極電壓為低電平，MOS管Q3關(guān)斷。此時驅(qū)動電平VCC通過二極管D1為電容C1充電，使電容C1兩端電壓上升至VCC。當PWM控制信號為高電平時，集成驅(qū)動芯片中的開關(guān)Q1導(dǎo)通，開關(guān)Q2關(guān)斷，由于電容C1兩端電壓不能突變，使得MOS管Q3的柵源極電壓保持與電容C1兩端電壓相同，即VCC，從而使MOS管Q3導(dǎo)通。

圖9 自舉驅(qū)動電路

集成電荷泵式自舉驅(qū)動器往往集成有大電流圖騰柱驅(qū)動電路，可實現(xiàn)大電流高速驅(qū)動高邊MOS管，且外圍電路簡單、體積小，在地面DC－DC電源中有著廣泛的應(yīng)用。但是集成式驅(qū)動芯片往往存在傳輸延遲，且在星載DC－DC電源中，由于芯片質(zhì)量等級限制，可選集成電荷泵式自舉驅(qū)動器種類有限，因此應(yīng)用非常有限。

4 隔離型MOS管驅(qū)動電路

在采用這種電路結(jié)構(gòu)的星載電路中，需要對輸出電壓進行隔離采樣反饋，而隔離采樣反饋往往設(shè)計復(fù)雜，通常采用UC1901這種隔離采樣芯片或采用變壓器進行調(diào)制，此類反饋電路調(diào)節(jié)范圍窄，且易受溫度等環(huán)境因素影響，降低星載DC－DC電源的準確度與穩(wěn)定度。采用隔離型MOS管驅(qū)動可將驅(qū)動控制端與功率端隔離，將輸出電壓直接反饋至PWM控制電路，簡化了星載DC－DC電源的設(shè)計，控制精度高，其應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖如圖10所示［5］。

圖10 隔離驅(qū)動電路的應(yīng)用

4.1 隔離型MOS管驅(qū)動電路設(shè)計

隔離型MOS管驅(qū)動電路原理圖如圖11所示。PWM控制信號通過單端驅(qū)動變壓器T1進行隔離后，對MOS管Q1進行驅(qū)動，通過驅(qū)動變壓器保證了MOS管柵源級電壓與驅(qū)動電壓相同，實現(xiàn)對MOS管的控制［6，7］。

圖11 隔離型MOS管驅(qū)動電路

對于單端變壓器，如果線圈上的電壓出現(xiàn)直流分量，就很容易使變壓器飽和，導(dǎo)致變壓器功能失效。因此在驅(qū)動變壓器T1前端增加隔直電容C1，去除驅(qū)動信號中的直流分量。而電容C1在PWM驅(qū)動波形的作用下，會產(chǎn)生一定的壓降，壓降與PWM驅(qū)動波形的占空比D有關(guān)，其壓降為：

式中，Udrive為驅(qū)動電壓。PWM驅(qū)動電壓經(jīng)過電容C1后，會產(chǎn)生與占空比D有關(guān)的壓降，會造成驅(qū)動電壓過低，因此在驅(qū)動變壓器T1后端加入電容C2，電容C2上的電壓為：

式中，n為驅(qū)動變壓器匝比；UD為二極管D1上的壓降。加入電容C2后，可以抵消電容C1上的壓降，最終得到MOS管柵源級兩端驅(qū)動電壓為：

最終MOS管Q1柵源級所得驅(qū)動電壓與PWM驅(qū)動電壓相差約0.7 V，對 MOS管開關(guān)性能影響不大。

當PWM驅(qū)動波形的占空比發(fā)生變化時，電容C1與驅(qū)動變壓器T1上的電感會產(chǎn)生L－C振蕩，通過在電容C1前串聯(lián)電容R1可減緩該振蕩。R1的取值可參考式（6）。其中L為驅(qū)動變壓器T1的原邊電感量，C為電容C1的電容值。但是過大的R1值會限制驅(qū)動電流的大小，實際設(shè)計中需要根據(jù)需要進行調(diào)整。

驅(qū)動變壓器是隔離驅(qū)動電路的核心，通常選擇匝比為1∶1的驅(qū)動變壓器。理想情況下變壓器不儲存和消耗能量，但實際使用中，驅(qū)動電壓在驅(qū)動變壓器線圈上會出現(xiàn)勵磁電流，勵磁電流峰值為：

式中，L為驅(qū)動變壓器原邊電感，ton為MOS管導(dǎo)通時間。勵磁電流不參與驅(qū)動MOS管，應(yīng)盡量減少，通常采用增加原邊電感量的方法來減少勵磁電流，原邊電感量過大，也會帶來變壓器繞組匝數(shù)增大、漏感增加的問題。為了以較少的匝數(shù)獲得較大的電感量，驅(qū)動變壓器磁芯通常選擇高磁導(dǎo)率的鐵氧體磁芯，在選定磁芯后可根據(jù)式（8）計算驅(qū)動變壓器原邊匝數(shù)。其中Ae為磁芯面積，ΔB為磁通密度變化量，其不超過磁芯飽和磁通密度的一半。

二極管D1用于消除驅(qū)動變壓器副邊的負壓，圖12顯示了二極管D1對驅(qū)動波形的影響。從圖中可以看出，在沒有二極管D1的情況下，雖然驅(qū)動變壓器副端壓差為Udrive，但驅(qū)動波形存在負壓，正壓偏低，會影響MOS管的驅(qū)動速度。加入二極管D1后，負壓消失，MOS管柵源級電壓與驅(qū)動電壓一致。

圖12 二極管對驅(qū)動波形的影響

4.2 仿真結(jié)果

根據(jù)3.1節(jié)的設(shè)計要求，選擇N溝道 MOS管IRF640，電 阻 R1為5.1Ω，電 容 C1、電 容 C2為0.11μF，驅(qū)動變壓器匝比為1∶1，原邊電感量為1 mH，電阻R2選擇5.1Ω，電阻R3選擇20 kΩ，二極管選擇1N4148，驅(qū)動電壓12 V，頻率100 kHz，仿真結(jié)果如圖13所示。其中Udrive為PWM驅(qū)動電壓波形，Ugs為MOS管Q1柵源級電壓波形。從圖13中可以看出，采用隔離驅(qū)動電路對PWM驅(qū)動電壓轉(zhuǎn)換后，MOS管柵源級電壓與PWM驅(qū)動電壓波形時序相同，電壓值相差約0.7 V，實現(xiàn)了對MOS管Q1的隔離驅(qū)動。MOS管隔離型驅(qū)動可以很好地對PWM控制信號進行隔離轉(zhuǎn)化，可驅(qū)動低邊或高邊MOS管，適用范圍廣，非常適用于星載DC－DC電源中。

圖13 隔離驅(qū)動電路仿真波形

5 結(jié)束語

非隔離MOS管驅(qū)動電路設(shè)計簡單，通用性強，可滿足大多數(shù)MOS管的驅(qū)動要求。在星載DC－DC電源中，出于對電源整體設(shè)計的考慮，隔離型驅(qū)動電路可簡化電源的設(shè)計，且隔離型驅(qū)動電路可滿足MOS管低端驅(qū)動及高端驅(qū)動的要求，在星載DC－DC電源中適用性更廣，更具有優(yōu)勢。

［1］ Abraham I Pressman，Keith Billings，Taylor Morey著，王志強，譯.開關(guān)電源設(shè)計［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

［2］ Sanjaya Maniktala著，王志強，譯.精通開關(guān)電源設(shè)計［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

［3］ 徐春雨，丁耀根，蘇小保，等.星載TWTA用EPC磁隔離反饋的研究［J］.電力電子技術(shù)，2008，42（6）：69－71.

［4］ 周斂容，潘美珍.高壓懸浮驅(qū)動電路IR2110的特點及拓展應(yīng)用技術(shù)［J］.電子元器件應(yīng)用，2009，11（4）：30－36.

［5］ 王衛(wèi)國，張 乾.RCC電路在星用開關(guān)電源中的應(yīng)用［J］.通信電源技術(shù)，2010，27（1）：30－33.

［6］ 王華彪，陳亞寧.IGBT和 MOSFET的隔離驅(qū)動技術(shù)［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2006，9（5）：43－45.

［7］ 李正中，孫德剛.高壓浮動 MOSFET柵極驅(qū)動技術(shù)［J］.通信電源技術(shù)，2003，19（3）：37－40.