应用于行波管程控高压电源的MOSFET开关管隔离驱动方法

摘要

本发明公开了一种应用于行波管程控高压电源的MOSFET开关管隔离驱动方法，将脉宽调制信号经过处理后，送入超高压隔离脉冲变压器产生同幅、同频、但相位相反的两组触发脉冲信号；每组触发信号各自经过推挽放大电路、瞬态抑制电路后，驱动各自桥臂上的MOSFET功率开关管工作。

说明书

技术领域

本发明涉及MOSFET开关管隔离驱动技术领域，具体为一种应用于行波 管程控高压电源的MOSFET开关管隔离驱动方法。

背景技术

行波管程控高压电源的各电源电压都以阴极为参考，主要特点是控制 精度高、输出功率大、对地电压高达数万伏等；本发明的程控高压电 源阴极电压高达16kV，收集极最大功率4kW。首先，由于输出电压较高 ，所以要在功率主回路和控制电路之间进行超高的电气隔离，其次， 开关管工作在高频大功率状态，所以必须提高驱动电路的抗干扰能力 ；此外,为保证功率MOFET在高频、高压、大电流下工作，对电源的瞬 间开关性带载能力、负载动态响应速度、稳压精度提出了极大的挑战 ；因此，必须为该类功率MOFET开关管设计高效可靠的栅极驱动电路。

目前在传统的MOSFET开关管隔离驱动方法中，多采用电平位移、光藕 隔离、光纤隔离、脉冲变压器隔离等驱动控制技术。电平位移方式不 是严格意义上的隔离，而是一种准隔离的方式，且功耗大、制造工艺 难以实现。光藕隔离方式隔离耐压度不高，开关频率低，传输延迟、 速度慢，共模抑制能力差，传输距离短，需要提供高压隔离电源。光 纤隔离方式隔离耐压比较高，能有效抑制电磁干扰，但存在传输延迟 、容易老化、需要提供高压隔离电源。脉冲变压器隔离方式隔离耐压 高、成本低、可靠性高、传输延迟小、开关频率高，对共模信号的抑 制能力强，不需要提供高压隔离电源。

脉冲变压器隔离是 MOSFET 和 IGBT 等全控型器件驱动电路常用 的一种隔离形式, 由于它具有电路结构简单、不需要提供隔离电源、 成本较低, 对脉冲信号无传输延迟等优点, 能够满足驱动电路电气 隔离、快速性、较强驱动能力的要求, 因此研发过程中首先考虑采用 这种隔离驱动方式。但是，对于高压、大功率的行波管程控高压电源 ，传统的脉冲变压器隔离驱动方式也是无法满足其要求的。本发明在 传统脉冲变压器隔离方式的基础上，创造性地发明了一种应用于行波 管程控高压电源的MOSFET开关管隔离驱动技术，即一种新型无源脉冲 变压器隔 离驱动技术。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种应用于行波管程 控高压电源的MOSFET开关管隔离驱动方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

应用于行波管程控高压电源的MOSFET开关管隔离驱动方法，其特征在 于：作为驱动信号的脉宽调制信号经过阻尼消振电路，消除长线振荡 噪声后，送入电流缓冲驱动电路，进行电流驱动能力放大，再经隔直 阻尼消振电路，送入高压隔离耦合变压器输入端，在其次级产生同幅 、同频、但相位相反的两组触发脉冲信号；每组触发信号各自经过推 挽放大驱动电路、通道转换隔离电路，再经过具有瞬态抑制功能的软 开关驱动电路后，分别驱动各自桥臂上的MOSFET功率开关管工作，其 中，阻尼消振电路、隔直阻尼消振电路，以及软开关驱动电路共同完 成噪声抑制功能；电流缓冲驱动电路、推挽放大驱动电路构成驱动增 强电路；高压隔离耦合变压器及其输入端的隔直电容则构成隔直电路 ，其隔直流、通交流的良好特性达到驱动电路初次级的电气隔离功能 ；高压隔离变压器作为本发明的关键技术之一，其初次级紧密耦合的 并联绕制、良好的绝缘性能、超低的泄漏电感特性足以保持驱动波形 脉冲特性及有效避免驱动延迟；主开关管栅极、源极穿心抑制磁珠构 成的软开关驱动电路，具有在低频时呈现感性、高频时趋向阻性特征 ，因此能有效实现软开关功能，具有良好的开关瞬态抑制能力，最终 实现了理想的行波管程控高压电源的MOSFET开关管隔离驱动。

行波管程控高压电源利用专有的MOSFET开关管隔离驱动技术，实现功 率快速动态调整，达到了行波管测试系统专用程控高压电源的各项功 能指标，也是行波管程控高压电源高压、大功率隔离逆变设计上的最 优选择。

本发明在行波管程控高压电源设计中，根据其高压、大功率开关特性 的特殊性，采用了一种独特的MOSFET开关管隔离驱动方法，该方法构 思巧妙，电路可靠实用，不仅提高了大功率瞬态开关驱动能力，有效 抑制了开关驱动噪声，而且进一步杜绝了高压大功率的开关共通现象 。

本发明的有益效果是：驱动电路具备良好的电气隔离特性，避免了功 率级电路对制信号造成干扰；满足了MOSFET快速转换和高峰值电流， 克服了密勒效 应；驱动电路的传输延迟时间较短，减小了开关死区时间，提高了变 换器的控制精度和效率；桥式功率管的驱动电路传输延迟时间差也极 小，避免了桥臂的两个功率管直通损坏现象；另外，本发明的驱动电 路简单可靠、体积小、成本低。

附图说明

图1为本发明方法的电路原理框图。

图2为本发明方法的电路原理图。

图3为驱动变压器关键点波形示意图。

具体实施方式

如图1所示。图1所示原理框图的工作流程如下：驱动信号经过阻尼消 振电路消除长线振荡后，送到大电流缓冲驱动电路进行扩流处理，瞬 态驱动电流能力从毫安级扩展到安培级；经隔直阻尼消振电路输入到 隔离耦合变压器初级，该变压器具有高压隔离、耦合良好等特性，变 压器次级输出一对同幅同频但完全反相的脉冲驱动信号，再经过两组 电路控制参数和元器件参数完全一致的推挽放大电路、通道转换隔离 电路，推挽放大电路起到避免共同导通作用，通道转换隔离电路则可 以避免开通和关断的相互干扰；驱动信号经过上述一系列优化处理后 ，送到各自的软开关驱动电路，软开关驱动电路一方面要消除分布电 容电压可能引起的开关管误导通问题，另一方面实现开关冲击电流的 动态抑制功能，进而实现MOSFET开关管的完美隔离驱动功能。

如图2所示。在图2中，电阻R1、R2和R4、R5为阻尼电路，具有消除长 线震荡作用。N1、N2为大电流缓冲驱动器，它具有较高的连续输出电 流和更高的脉冲输出电流能力，具有较快的上升下降时间和较短的内 部延时，且具有很低的输出内阻特性，对电流的缓冲放大驱动起到一 定的保证作用。图中V1～V4共同组成初级尖峰吸收和反接保护等。电 阻R3、电容C3构成初级隔直和阻尼消振电路。变压器T1为本发明的关 键技术之一，该脉冲变压器有3个绕组，一个初级绕组和两个次级绕组 ，它们都应该有良好的绝缘性，且三者之间的匝数完全相等，以利于 并联绕制时的紧密耦合；脉冲变压器不应存储能量，因此减小泄感对 于改善驱动波形以及提高效率非常重要，这样才能保证在导通或者截 止的时候提供较高的峰值电流，有效避免栅极驱动中的时间延迟；另 外在脉冲变压器设计时还必须考虑到最大占空比、最大输入电压等所 有条件下的瞬态严酷情况。

V5、V6和V11、V12分别组成推挽放大驱动电路，进一步增强了电流驱 动能力。V7、V8和V13、V14构成信号通路转换和隔离作用，有效地保 证了多管互补驱动功能，减少相互干扰。L1～L8为主开关管栅极、源 极的穿心抑制磁珠，增加驱动能力，达到软开关效果且避免了对开关 波形的影响。

从图中还可以看出，该驱动电路具有互补驱动功能，即当一个功率MO SFET导通的同时另一个功率MOSFET关断，并且这两个驱动信号相互隔 离。脉冲变压器有两个次级绕组，分别连接两个独立的驱动电路。由 于两个次级绕组的同名端恰好相反，则在N1输出为高电平、N2输出为 低电平时，上组驱动电路输出电压为正，下组驱动电路端出电压为负 ，反之亦然。由于信号出自同一个脉冲变压器，所以这个电路的互补 性很好，能有效地防止共通等不良现象的发生。

通过上述种种措施确保了功率和电流两方面放大增益要求，从而保证 了功率回路的瞬态增益和速度指标；尤其是无源脉冲变压器驱动的创 新设计，大大增强了开关管的开关能力，抑制了开关噪声，因而能有 效改善开关管的瞬态高压大功率输出能力。

本发明方法的特点是： 触发脉冲信号具有足够快的上升和下降速度 ；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；为了使功率 MOSFET 可靠触 发导通, 触发脉冲电压较高于开关管的开启电压,为了防止误导通,  在其截止时还提供了足够高的反向栅源电压；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。

本发明中N1、N2采用具有大功率MOSFET驱动能力的高电流缓冲驱动芯 片，它具有优越的重载开关驱动能力，其主要技术参数要求如下：Ip k=9A，Idc=2A，Tr=60nS，Tf=60nS,Td=30nS。该方式提高了瞬间短路 电流的承受能力，对于本发明电路尤其重要。因为瞬间短路电流的产 生通常是由于驱动电平脉冲的上升或下降过程太长，或者传输延时过 大，这时高压侧和低压侧的MOSFET在很短的时间里处于同时导通的状 态，在电源和地之间形成了短路。瞬间短路电流会显着降低电源的效 率，使用高电流缓冲驱动芯片驱动器后可以从两个方面改善这个问题 ：

首先MOSFET栅极驱动电平的上升时间和下降时间相等，并且时间较短 ；TC4422EPA型驱动器在1nF负载的情况下，脉冲上升时间Tr和下降时 间Tf仅为 25ns。其次驱动脉冲的传播延时很短，保证了高压侧和低压侧的MOSF ET具有相等的导通延迟和截止延迟；本发明中TC4422EPA型驱动器的脉 冲上升沿和下降沿的传播延迟均小于2ns。而在传统的分立器件电路中 却难以实现。传统驱动器只适用于电路简单、输出电流小的产品，既 不能满足对高性能的要求，也不具有任何的成本优势。

驱动电路应具备良好的电气隔离特性，避免功率级电路对制信号造成 干扰，因此本发明采用脉冲变压器驱动方式。产生对称负脉冲来加快 MOSFET的关断速度，保证MOSFET可靠关断，提高驱动电路的抗干扰能 力；同时避免因MOSFET的开启电压随时间下降以及MOSFET关断时过高 的电压应力引起MOSFET误导通。因此，自制件脉冲变压器的设计也是 本发明的关键技术之一。脉冲变压器具体设计如下：

1、工作频率fT=100kHz，以减小脉冲变压器体积、尺寸；2、电源电压 15V，既保证MOSFET充分开关导通，又确保其工作在安全区；3、平均 驱动功率≥1000mW。 变压器磁芯的选择：

PQ2020的功率容量乘积为0.42，比0.22数值约大一倍，因此设计值是 留有充分余量的。

计算初级绕组的电感量：

脉冲变压器初、次级绕组匝数设计：

取初、次级匝数均为36匝

脉冲变压器在实际设计制作时还采取了以下具体措施：在满足设计要 求的情况下尽量减少绕组匝数；选用合适大小磁芯减少绕组厚度；保 证绝缘的前提下尽可能减少绕组间的绝缘；选用介电常数小的绝缘材 料；合理安排绕组极性；采用静电屏蔽；初、次级采用绕组全并联绕 制，绕组分段分层绕制，以减小漏感改善 驱动波形。

驱动电路的传输延迟时间应尽可能少，以减小开关死区时间，提高变 换器的控制精度和效率。桥臂功率管的驱动电路传输延迟时间差应尽 可能小。若传输延迟时间差较大，有可能导致桥臂的两个功率管直通 ，造成功率管损坏。因此，在驱动通路上的各环节均考虑了传输延迟 问题，驱动电路的中功率MOSFET开关管V5、V6和V11、V12，以及主开 关管均采用低输入栅极电容、低转移特性的“无”传输延迟开关管。 另外，图中所有高频电容均为高频陶瓷电容，确保在高频时仍然呈现 较强的容性，对高频信号的阻抗很小，因此能很好的吸收高频成分。 这样电路总体的等效感抗就较小，高频信号的ESR也较小，有效地杜绝 了高频振荡问题。如图3所示，图3是以V5为例的驱动波形示意图，图 中关键点波形图反映了该电路良好的“无”传输延迟特性。

本发明采用了应用于行波管程控高压电源的新型MOSFET开关管隔离驱 动技术，满足了高压、大功率行波管程控高压电源对驱动电路的特殊 要求，避免了寄生振荡、高压共通等一系列问题，使电路对负载的快 速切换具有较好的瞬态调节能力，并有效提高了系统的稳定性和动态 性能指标。