閻治安，趙發(fā)明，馮寶文，季明月

(西京學(xué)院，陜西西安710123)

?

一種功率MOSFET半橋驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

閻治安，趙發(fā)明，馮寶文，季明月

(西京學(xué)院，陜西西安710123)

摘要設(shè)計(jì)了一種用于MUPS裝置的功率MOSFET半橋驅(qū)動(dòng)電路，該電路基于TC4420芯片配合SG3525芯片作為驅(qū)動(dòng)和控制模塊，提高了逆變器驅(qū)動(dòng)電路正常運(yùn)行的穩(wěn)定性。揭示了該MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的機(jī)理，設(shè)計(jì)計(jì)算了控制和驅(qū)動(dòng)芯片外圍電路及主要參數(shù)。并通過軟件Saber搭建了該模塊的仿真模型，仿真結(jié)果證明了該驅(qū)動(dòng)電路的可行性。

關(guān)鍵詞MOSFET；SG3525；TC4420；驅(qū)動(dòng)電路；仿真模型

0引言

MUPS是專門針對(duì)低壓電機(jī)類負(fù)載而設(shè)計(jì)的不間斷電源系統(tǒng)，當(dāng)主電源失電后確保關(guān)鍵電動(dòng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)行的系統(tǒng)設(shè)備。而在MUPS的各個(gè)組成部分中，最關(guān)鍵的部分是逆變器。隨著現(xiàn)代逆變技術(shù)的不斷發(fā)展，功率MOSFET開關(guān)頻率的提高，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的響應(yīng)速度和驅(qū)動(dòng)能力的要求也隨之提高，這就要求驅(qū)動(dòng)電路在具有更快的響應(yīng)速度、更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力的同時(shí)兼顧可靠性和穩(wěn)定性。而傳統(tǒng)的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路存在諸多問題，如電源適用范圍窄、驅(qū)動(dòng)電流小、驅(qū)動(dòng)電路整體設(shè)計(jì)比較復(fù)雜等，本文旨在采用國內(nèi)外較先進(jìn)的功率驅(qū)動(dòng)芯片構(gòu)成智能驅(qū)動(dòng)器來解決此類問題。

因此，設(shè)計(jì)了一種用驅(qū)動(dòng)芯片TC4420和電壓脈寬型控制芯片SG3525構(gòu)成的半橋逆變驅(qū)動(dòng)模塊，具有單電源工作、控制與驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離、穩(wěn)壓范圍寬、外圍電路簡單、響應(yīng)速度快、可靠性和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。該驅(qū)動(dòng)電路不僅可用于各種通用的MUPS電源中，也能夠應(yīng)用于變頻電源等各種DC-AC類電源中。

1功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

1.1MOSFET驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)要求

MOSFET驅(qū)動(dòng)電路是整個(gè)逆變器的核心，驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定性直接影響到逆變器的性能，而逆變器的性能在很大程度上影響到了整個(gè)逆變焊接電源的正常運(yùn)行，因此在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，不僅要考慮到驅(qū)動(dòng)電路的響應(yīng)速度、驅(qū)動(dòng)能力還要兼顧其可靠性與穩(wěn)定性。驅(qū)動(dòng)電路具體的設(shè)計(jì)要求涉及到以下幾個(gè)方面[2]。

(1)開關(guān)管導(dǎo)通瞬時(shí)，應(yīng)提供足夠大的充電電流；

(3)開關(guān)管關(guān)斷瞬時(shí)，應(yīng)提供一個(gè)盡可能低阻抗的通路；

(4)開關(guān)管關(guān)斷瞬時(shí)，應(yīng)提供一定的負(fù)電壓；

(5)驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡單可靠、損耗小，最好有隔離。

按照上述電路設(shè)計(jì)要求，做到了15V的正驅(qū)動(dòng)電壓及-5V的反向驅(qū)動(dòng)電壓，保證了MOSFET的可靠開通與關(guān)斷；9A的輸出峰值電流，使MOSFET能迅速建立柵控電場而導(dǎo)通；快速的上升和下降時(shí)間，保證了上升沿和下降沿的陡峭；延遲時(shí)間短(典型值為30ns)，提高了工作效率；采用脈沖隔離變壓器使信號(hào)電路與柵極驅(qū)動(dòng)電路有效隔離。

1.2驅(qū)動(dòng)電路總體設(shè)計(jì)

功率MOSFET半橋驅(qū)動(dòng)電路總體設(shè)計(jì)的框圖如圖1所示。圖中直流輸入經(jīng)過功率MOSFET逆變后，經(jīng)高頻變壓器輸出高頻交流。輸出采樣信號(hào)以及過壓過流保護(hù)信號(hào)送至SG3525控制芯片，用來控制PWM信號(hào)的輸出，PWM信號(hào)再由TC4420驅(qū)動(dòng)芯片控制功率MOSFET的通斷，從而控制輸出電壓。

1.3SG3525控制電路設(shè)計(jì)

為了方便介紹SG3525控制芯片外圍電路及主要參數(shù)的計(jì)算,需要了解芯片的引腳圖。圖2給出了SG3525的引腳圖[3]，最常用的引腳包括：1腳反向輸入端和2腳同相輸入端構(gòu)成電壓比較電路，從而控制輸出PWM脈沖的寬度；11腳和14腳為兩路相差180°PWM脈沖的輸出端；5腳CT端、6腳RT端和7腳放電端決定了SG3525振蕩器的振蕩頻率及PWM的死區(qū)時(shí)間；15腳Vs端為偏置電壓輸入端；16腳Vref端為基準(zhǔn)電源輸出端。

配電網(wǎng)是具有環(huán)路結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，故在選擇染色體時(shí)候考慮到：配電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，無環(huán)網(wǎng)和孤島存在，任一個(gè)環(huán)僅有一個(gè)開關(guān)打開，同一環(huán)中的支路用一段基因塊表示，有幾個(gè)環(huán)對(duì)應(yīng)的染色體就有幾個(gè)基因塊組成，每一個(gè)基因塊中僅有一個(gè)基因位為0，其他為1。對(duì)染色體編碼方式采用位于同一環(huán)內(nèi)的開關(guān)在同一基因塊當(dāng)中，方便判斷并及時(shí)排除不可行解。

SG3525控制電路的外圍電路設(shè)計(jì)及主要參數(shù)計(jì)算如下。

(1)確定振蕩器的振蕩頻率

SG3525振蕩器的振蕩頻率主要由6腳外接的定時(shí)電阻Rt以及5腳外接的定時(shí)電容Ct和放電電阻Rd共同決定。其滿足式(1)[4]即

(1)

(2)確定PWM死區(qū)時(shí)間

PWM死區(qū)時(shí)間不僅與放電電阻Rd有關(guān)，還與定時(shí)電阻Rt有關(guān)。

此次設(shè)計(jì)的功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)頻率為40kHz，則PWM控制器SG3525的振蕩頻率為80kHz，現(xiàn)取Rt=16kΩ，則由Rd與Rt關(guān)系曲線[5],取220Ω，帶入式(1)得

(2)

式中，Ct ≈1.09μF，實(shí)際取標(biāo)稱值Ct=1μF。

(3)8腳可接軟起動(dòng)電容，通過所接對(duì)地電容的充放電可以決定該芯片的軟起動(dòng)時(shí)間，一般取1～10μF，本電路取2μF。

(4)1腳是內(nèi)部誤差放大器反向輸入端，通過與2腳內(nèi)部誤差同相輸入端的給定電壓進(jìn)行比較，從而控制輸出的PWM脈沖寬度。在應(yīng)用時(shí)，通常2腳接給定基準(zhǔn)，1腳接采樣信號(hào)。仿真時(shí)，2腳接16腳引出的2.5V基準(zhǔn)電壓，1腳用VCVS代替電壓采樣信號(hào)。

(5)10腳作為外部控制端，當(dāng)輸入信號(hào)為低電平時(shí)，PWM脈沖信號(hào)正常輸出；當(dāng)為高電平時(shí)，芯片停止工作，不輸出PWM信號(hào)。該端在應(yīng)用時(shí)，可接過壓、過流、過熱等保護(hù)的輸入信號(hào)，仿真時(shí)接低電平。

(6)11腳和14腳輸出兩路相位相差180°的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

1.4TC4420驅(qū)動(dòng)放大電路的設(shè)計(jì)

MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路采用脈沖變壓器和兩片驅(qū)動(dòng)芯片TC4420構(gòu)成，TC4420驅(qū)動(dòng)放大電路原理圖如圖3所示。電容C1～C6為去耦電容，是為了濾除輸入和輸出端的噪聲，以滿足驅(qū)動(dòng)電路電流的變化，避免相互間的耦合干擾，二極管D1～D4的作用是消除反電動(dòng)勢(shì)對(duì)TC4420的影響。

TC4420是Microchip公司生產(chǎn)的6A高速M(fèi)OSFET/IGBT驅(qū)動(dòng)器，具有4.5～18V的寬輸入電壓，上升和下降時(shí)間迅速，傳輸延時(shí)短，輸出阻抗低同時(shí)具有閉鎖保護(hù)。因?yàn)镾G3525的驅(qū)動(dòng)功率較小，不能勝任驅(qū)動(dòng)開關(guān)管穩(wěn)定工作的要求，因此需要加上驅(qū)動(dòng)放大電路，以增大驅(qū)動(dòng)電流功率，提高驅(qū)動(dòng)電路的可靠性。圖3中知，采用了兩片TC4420構(gòu)成驅(qū)動(dòng)放大電路，其中當(dāng)SG3525輸出的PWM1為高電平，PWM2為低電平時(shí)，經(jīng)過TC4420驅(qū)動(dòng)放大后輸出，在脈沖變壓器一次側(cè)所流過的電流從PWMA流向PWMB，如圖3中箭頭所示。電壓的正方向?yàn)橄抡县?fù)。根據(jù)變壓器的同名端和接線方式，則開關(guān)管Q1的柵極電壓為正，Q2的柵極電壓為負(fù)，此時(shí)是驅(qū)動(dòng)Q1管導(dǎo)通。反之若是PWM1為低電平，PWM2為高電平時(shí)，則是驅(qū)動(dòng)Q2管導(dǎo)通。

通過驅(qū)動(dòng)芯片TC4420與控制芯片SG3525配合構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路，使得外圍電路簡單，響應(yīng)速度快，在提升了驅(qū)動(dòng)能力的同時(shí)，也提高了驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定性與可靠性。

3功率MOSFET半橋驅(qū)動(dòng)電路仿真及其結(jié)果

在Saber環(huán)境下搭建了仿真電路，仿真原理圖如圖4所示。兩片TC4420芯片的輸出分別控制兩個(gè)MOSFET的開通與關(guān)斷。

圖5和圖6給出了設(shè)計(jì)電路的仿真結(jié)果，其中驅(qū)動(dòng)波形圖如圖5所示，輸出脈寬調(diào)制波形如圖6所示。

圖5的上下兩個(gè)波形分別表示仿真電路中SG3525輸出的兩路相位相反的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從圖中可以看出，驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率約為44kHz，占空比約為45%，死區(qū)時(shí)間約為3μs。

為了驗(yàn)證SG3525的脈寬調(diào)制特性，通過調(diào)整反饋電壓[6]，從圖6中可以得知，當(dāng)反饋電壓增大時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖的脈寬隨之收窄，從而縮短開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，進(jìn)而降低了電壓 ，保證了驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定性。

3結(jié)語

本文根據(jù)TC4420和SG3525兩種芯片的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了功率MOSFET的半橋式控制驅(qū)動(dòng)電路，并在Saber環(huán)境中搭建仿真模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了電路的可行性，本驅(qū)動(dòng)電路完全可以應(yīng)用于電機(jī)拖動(dòng)中的各種DC-AC類驅(qū)動(dòng)電源，特別是送變器趨動(dòng)電路的穩(wěn)定運(yùn)行，從而保證了變頻電機(jī)的正常運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]田穎,陳培紅.功率MOSFET驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 電力電子技術(shù),2005,39(1):73-80.

[2]王曉峰，王京梅.基于SG3525的開關(guān)電源設(shè)計(jì)[J]. 電子科技，2100,6(24):118-121.

[3]黃衛(wèi)東,于瑞強(qiáng).共享學(xué)習(xí)模式下知識(shí)服務(wù)云平臺(tái)的構(gòu)建研究[J].電信科學(xué),2011,12:6-12.

[4]王水平. MOSFET/IGBT驅(qū)動(dòng)器集成電路應(yīng)用集萃[M]. 北京：中國電力出版社，2010.

[5]梅開鄉(xiāng). SG3525芯片在開關(guān)(逆變)電源中的應(yīng)用[J]. 電子工程師，2006,32(6):28-3.

Design of a Power MOSFET Half-Bridge Driving Circuit

YanZhian,ZhaoFaming,FengBaowen,andJiMingyue

(Xijing University, Xi′an 710123, China)

AbstractA power MOSFET half-bridge driving circuit used for equipment MUPS is designed. Taking chip TC4420 together with chip SG3525 as driving and control modules, stability of inverter-driven circuit at normal operation is improved. This paper reveals the mechanism of MOSFET driving circuit, designs and calculates peripheral circuit and its main parameters of the control and drive chips. The simulation model of this module is built by software saber, and the simulated results prove feasibility of the driving circuit.

Key wordsMOSFET；SG3525；TC4420；driving circuit；simulation model

收稿日期：2015-10-28

作者簡介：閻治安男1951年生；教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)設(shè)計(jì)及控制.

中圖分類號(hào)：TM301.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-7281(2016)01-0022-004

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.01.07