几种 MOSFET 驱动电路的研究 摘要：介绍并分析研究了几种较简单实用的驱动电路,给出了电路图,部分仿真波形或实验波。 关键词：高频驱动电路 1 引言 开关电源由于体积小、重量轻、效率高等优点,应用已越来越普及。MOSFET 由于开关速度快、易并联、所需驱动功率低等优点已成为开关电源 最常用的功率开关器件之一。而驱动电路的好坏直接影响开关电源工作的可靠性及性能指标。一个好的 MOSFET 驱动电路的要求是： （1）开关管开通瞬时,驱动电路应能提供足够大的充电电流使 MOSFET 栅源极间电压迅速上升到所需值,保证开关管能快速开通且不存在上升沿 的高频振荡; （2）开关管导通期间驱动电路能保证 MOSFET 栅源极间电压保持稳定使可靠导通; （3）关断瞬间驱动电路能提供一个尽可能低阻抗的通路供 MOSFET 栅源极间电容电压的快速泄放,保证开关管能快速关断; （4）关断期间驱动电路最好能提供一定的负电压避免受到干扰产生误导通; 

（5）另外要求驱动电路结构简单可靠,损耗小,最好有隔离。 本文介绍并讨论分析一下作者在研制开关电源中使用的几种结构简单可行的 MOSFET 管驱动电路。 2 几种 MOSFET 驱动电路介绍及分析 2.1 不隔离的互补驱动电路 图 1（a）为常用的小功率驱动电路,简单可靠成本低。适用于不要求隔离的小功率开关设备。图 1(b)所示驱动电路开关速度很快,驱动能力强, 为防止俩个 MOSFET 管直通,通常串接一个 0.5～1Ω小电阻用于限流,该电路适用于不要求隔离的中功率开关设备。这两种电路结构特简单。 功率 MOSFET 属于电压型控制器件,只要栅极和源极之间施加的电压超过其阈值电压就会导通。由于 MOSFET 存在结电容,关断时其漏源两端电压 的突然上升将会通过结电容在栅源两端产生干扰电压。常用的互补驱动电路的关断回路阻抗小,关断速度较快,但它不能提供负压,故其抗干扰性 较差。为了提高电路的抗干扰性,可在此种驱动电路的基础上增加一级由 V1、V2、R 组成的电路,产生一个负压,电路原理图如图 2(a)所示。 当 V1 导通时,V2 关断,两个 MOSFET 中的上管的栅、源极放电,下管的栅、源极充电,即上管关断、下管导通,则被驱动的功率管关断;反之 V1 关 断时,V2 导通,上管导通,下管关断,使驱动的管子导通。因为上下两个管子的栅、源极通过不同的回路弃、放电,包含有 V2 的回路由于 V2 会不 断退出饱和直至关断,所以对于 S1 而言导通比关断要慢,对于 S2 而言导通比关断要快,所以两管发热程度也不完全一样,S1 比 S2 发热要严重。 该驱动电路的缺点是需要双电源,且由于 R 的取值不能过大,否则会使 V1 深度饱和,影响关断速度,所以 R 上会有一定的损耗。 还有一种与其相类似的电路如图 2(b)所示,改进之处在于它只需要单电源。其产生的负压由 5.2V 的稳压管提供。同时 PNP 管换成 NPN 管。在该 电路中的两个 MOSFET 中,上管的发热情况要比下管较轻,其工作原理同上面分析的驱动电路,故不再赘述。 

2.2 隔离的驱动电路 （1）正激式驱动电路 电路原理图如图 3(a)所示,N3 为去磁绕组,S2 为所驱动的功率管。R2 为防止功率管栅极、源极端电压振荡的一个阻尼电阻。因变压器漏感较小, 且从速度方面考虑,一般 R2 较小,故在分析中忽略不计。 其工作波形分为两种情况,一种为去磁绕组导通的情况,见图 4（a）;一种为去磁绕组不导通的情况,见图 4(b)。 等值电路图如图 3(b)所示,脉冲变压器的副边并联—电阻 R1,它做为正激式变换器的假负载,用于消除关断期间输出电压发生振荡而误导通,见 图 5。同时它还可作为功率 MOSFET 关断时的能量泄放回路。该驱动电路的导通速度主要与被驱动的 S2 栅、 知,占空比 D 越小、R1 越大、L 越大,磁化电流越小,U1 值越小,关断速度越慢。 源极等效输入电容的大小、S1 的驱动信号的速度以及 S1 所能提供的电流大小有关。由仿真及分析可 该电路具有以下优点：①电路结构简单可靠,实现了隔离驱动。②只需单电源即可提供导通时正、关断时负压。③占空比固定时,通过合理的参 数设计,此驱动电路也具有较快的开关速度。该电路存在的缺点：一是由于隔离变压器副边需要一个假负载防震荡,故该电路损耗较大;二是当占 空比变化时关断速度变化加大。脉宽较窄时,由于是贮存的能量减少导致 MOSFET 栅极的关断速度变慢。表 1 为不同占空比时关断时间 toff（驱 动电压从 10 伏下降到 0 伏的时间）内变化情况。 表 1 不同占空比时 toff 的变化情况 占空比 toff(微秒） 0.3 2.4 0.37 0.8 0.45 0.4 

（2）有隔离变压器的互补驱动电路 如图 6(a)所示,V1、V2 为互补工作,电容 C 起隔离直流的作用,T1 为高频、高磁率的磁环或磁罐。 导通时隔离变压器上的电压为(1－D)Ui、关断时为 DUi,若主功率管 S 可靠导通电压为 12V,则隔离变压器原副边匝比 N1/N2 为 12/(1－D)/Ui。 为保证导通期间 GS 电压稳定 C 值可稍取大些。实验波形见图 7(a)。该电路具有以下优点： ①电路结构较简单可靠,具有电气隔离作用。当脉宽变化时,驱动的关断能力不会随着变化。 ②该电路只需一个电源,即为单电源工作。隔直电容 C 的作用可以在关断所驱动的管子时提供一个负压,从而加速了功率管的关断,且有较高的抗 干扰能力。 但该电路所存在的一个较大缺点是输出电压的幅值会随着占空比的变化而变化。当 D 较小时,负向电压小, 该 电路的抗干扰性变差,且正向电压较高,应该注意使其幅值不超过 MOSFET 栅极的允许电压。当 D 大于 0.5 时驱动电压正向电压小于其负向电压, 此时应该注意使其负电压值不超过 MOSFET 栅极的允许电压。所以该电路比较适用于占空比固定或占空比变化范围不大以及占空比小于 0.5 的场 合。 

6(b)为占空比大于 0.5 时适用的驱动电路,其中 Z2 为稳压二极管,此时副边绕组负电压值较大,Z2 的稳压值为所需的负向电压值,超过部分电压 降在电容 C2 上,其实验波形见图 7(b)。 （3）集成芯片 UC3724/3725 构成的驱动电路 电路构成图如图 8 所示。 其中 UC3724 用来产生高频载波信号,载波频率由电容 CT 和电阻 RT 决定。一般载波频率小于 600kHz,4 脚和 6 脚两端产生高频调制波,经高频小 磁环变压器隔离后送到 UC3725 芯片 7、8 两脚经 UC3725 进行解调后得到驱动信号,UC3725 内部有一肖特基整流桥同时将 7、8 脚的高频调制波 整流成一直流电压供驱动所需功率。一般来说载波频率越高驱动延时越小,但太高抗干扰性变差;隔离变压器磁化电感越大磁化电流越小,UC3724 发热越少,但太大使匝数增多导致寄生参数影响变大,同样会使抗干扰能力降低。故根据实验研究得出：对于开关频率小于 100kHz 的信号一般取 (400～500)kHz 载波频率较好,变压器选用较高磁导如 5K、7K 等高频环形磁芯,其原边磁化电感大小约 1 毫亨左右为好。 话,相对延时太多,且所需驱动功率增大,UC3724 和 UC3725 芯片发热厉害温升较高,故 100kHz 以上开关频率仅对较小极电容的 MOSFET 才可以。 对于 1kVA 左右开关频率小于 100kHz 场合,它是一种性能良好的驱动电路。该电路具有以下特点：单电源工作,控制信号与驱动实现隔离,结构简 单尺寸较小,尤其适用于占空比变化莫测或信号频率也变化的场合。 这种驱动电路仅适合于信号频率小于 100kHz 场合,因信号频率相对载波频率太高的 3 结语 本文介绍的几种 MOSFET 驱动电路均有以下优点：结构较简单可靠;单电源工作;适用于中小功率开关电源。以上电路均已应用到不同功率的实际 开关电源的原理样机中,经过了实验的检验。