高压浮动MOSFET栅极驱动技术

收稿日期 :2003201209 文章编号 :100923664 (2003) 0320037204 元器件应用 高压浮动 MOSFET 栅极驱动技术 李正中 , 孙德刚 (深圳职业技术学院电子通信系 ,广东 深圳 　518055) 摘 　要 : 本文介绍了高压浮动 MOSFET 的应用场合、栅极驱动的的几种常用技术及其优缺 点 ,详细论述了采用 IR2125 芯片的自举工作模式及充电泵模式的高压浮动 MOSFET 栅极驱 动电路。同时论述了高压浮动 MOSFET 在汽车制动器中的应用。 关键词 : 高压浮动 ;MOS 栅极驱动 ;自举工作 ;充电泵 中图分类号 : TN86 　TN712 文献标识码 : A Technologies of HV Floating MOS2Gate Driver L I Zheng2zhong ,SUN De2gang ( Electronic & Communication Department , Shenzhen Polytechnic College , 518055 China) Abstract : In this paper , technologies and application of HV floating MOS2Gate driver is int ro2 duced. The advantage and disadvantage of technologies is also introduced. HV floating MOS2Gate driver based on IR2125 bootst rap mode and charge pump mode is given in detail. Application of HV floating MOS2Gate driver in automobile brake is also introduced. Key words : HV floating ;MOS2Gate driver ;bootst rap operation ;charge pump 1 　高压浮动 MOSFET 的应用 功率 MOSFET 国耐压较高 ,导通电流大以 及低廉的价格而获得了广泛的应用。在有些应用 场合 ,需要功率 MOSFET 用作高压侧开关 ,漏极 接到高压干线 ,负载接在源极 ,如图 1 所示。为保 证 MOSFET 饱和导通 ,要求栅极驱动电压比漏 极电压高 10～15 V。栅极控制电压一般以地为 参考点 ,因此栅极电压必定高于干线电压 ,其可能 是系统中最高的电压 ,控制信号必须转换电平 ,使 其为高压侧源极电位。同时要求栅极驱动电路功 率不会显著地影响总效率。 2 　高压浮动 MOSFET 栅极驱动常 用技术 2. 1 　隔离电源法 采用隔离电源法对 MOSFET 栅极驱动的电 图 1 　高压浮动 MOSFET 应用电路 路如图 2 所示。隔离电源的地与 MOSFET 源极 相接 ,栅源电压 U gs 为隔离电源电压 ,因此能够 保证 MOSFET 饱和导通。该驱动方法对控制信 号开关周期没有要求 ,能够对栅极进行连续驱动。 但每个高压侧 MOSFET 需要一个隔离电源 ,电 路成本较高 ,同时需要将以地为参考点的信号进 行电平转换 ,电平转换器必须承受全部电压 ,要求 低功耗快速开关。一般要求下可以采用光电隔离 器。 73 　　 2003 年 6 月　第 3 期 通 信 电 源 技 术 Telecom Power Technologies 　 图 2 　浮动栅极电源法 MOSFET 栅极驱动 2. 2 　脉冲变压器法 脉冲变压器法电路如图 3 所示。采用脉冲变 压器隔离驱动 ,电路结构简单 ,成本适中 ,但其应 用在许多方面受到限制。开关频率较低时 ,脉冲 变压器尺寸显著增大 ;开关频率较高时 ,由于脉冲 变压器的寄生参数不能忽视 ,波形变得不够理想 ; 如果在很宽的占空比范围内工作时 ,应用技术复 杂 ;不能对栅极做连续控制。 图 3 　脉冲变压器法 MOSFET 栅极驱动 2. 3 　充电泵法 充电泵示电路结构如图 4 所示。利用电平控 制 MOSFET 的开启 ,当 MOSFET 被开启后 ,以 充电泵驱动栅极来产生过干线电压。该电路同样 需要电平转换 ,同时 MOSFET 开启时间较长 ,可 能需要两级泵激励 ,才能保证 MOSFET 饱和驱 动。该驱动方法对控制信号开关周期没有要求 , 能够对栅极进行连续驱动 ,成本较低。 图 4 　充电法 MOSFET 栅极驱动 2. 4 　自举法 自举法电路如图 5 所示。通过自举电容产生 过干线电压。该方法简单 ,价格便宜 ,但占空比和 开启时间受自举电容刷新时间的限制 ,要求控制 信号开关频率在几十赫兹以上。控制信号需要进 行电平转换。 图 5 　自举法 MOSFET 栅极驱动 2. 5 　载波驱动法 载波驱动电路如图 6 所示 ,由振荡器和变压 器组成。控制信号通过控制振荡器实现对 MOS2 FET 的开关。该驱动方法对控制信号开关周期 及占空比没有要求 ,能够对栅极进行连续驱动。 但该方法在开关频率受到限制 ,必须通过较复杂 电路才能解决。 图 6 　载波驱动 MOSFET 驱动 3 　利用 IR2125 的自举模式实现 MOS 高压浮动驱动 3. 1 　IR2125 的结构框图 IR2125 是国际整流器件公司生产的高速高 电压 MOSFET 管和 IGB T 驱动器。其能工作在 浮动电源模式和自举工作模式 ,驱动高达600 V 高压侧的 MOSFET 或 IGB T ,提供极快的开关速 度和低的功耗。它工作在自举工作模式时 ,工作 频率可以由几十赫兹到数百千赫兹。同时提供 MOSFET 或 IGB T 的过流保护及本身的欠压保 护。 　 　图7为 IR2125功能框图。其包括输入逻辑 83　　　　　　 通 信 电 源 技 术 2003 年 6 月　 图 7 　IR2125 功能框图 电路、电平转换器、自身欠压保护电路、功率 MOSFET 管过流检测保护电路、高压侧功率 MOS 管驱动器电路等组成。 输入逻辑电路由 TTL/ COMS 电平相兼容的 输入控制 ,通过施密特缓冲器消除噪声输入。欠 压保护电路 :当 U s 与 U b 之间的电压值小于它 的限定值 10. 4 V 时 ,欠压自锁保护电路将栅极驱 动输出关断。当电压恢复正常后 ,输出仍然保持 锁定状态 ,只有输入状态变化才可使输出状态变 化。 过流检测保护电路通过检测功率 MOSFET 的源极与漏极的电压差来判断是否过流。当 CS 脚的电位相对 U s 高于0. 5 V时 ,保护电路动作 , 将栅极驱动输出关断。只有输入状态变化才可使 输出状态变化。 高压侧功率 MOSFET 管驱动器的输出端能 相对功率地 (COM)从 600 V 浮动到 - 5 V。输出 脚 HO 脚连接到高压侧 MOSFET 的源极 ,源极驱 动电源由 UB 提供 ,在 U s 电位上浮动 , U s 电位 在两干线电压间摆动 ,如果将一隔离电源接在 UB 和 U s 之间 ,高压侧通道与输入信号可以一 致 ,即输入信号和输出可以共地。 3. 2 　IR2125 的自举工作模式 MOS 器件栅极的显著特点是它的容性输入 特性 ,通过提供电荷给栅极而导通 ,而不是提供连 续电流。因此 ,当 IR2125 驱动 MOSFET 时 , UB 和 U s 之间的隔离电源可以用一个自举电容代 替 ,如图 8 所示。自举电容在 MOSFET 关断时通 过自举二极管充电到电源电压 U CC ;当 MOSFET 导开时 ,由于栅极消耗的功率很小 ,MOSFET 的 输入信号就会从 COM 电平抬升到 U s 浮动电位 , U s 电压可到干线电压。为了保持自举电容的电 压 ( UB)始终大于 U s 电压10 V以上 ,对电路的工 作频率有一定的要求。当频率太低时 ,电容上的 电压就可能降低保护电压以下 ,引起输出关闭。 因此 ,在自举工作模式时 ,要求其开关频率在几十 赫兹以上。 图 8 　IR2125 自举工作模式电路图 　　在自举工作模式下 ,对自举电容和自举二极 管要求都较高。自举电容的耐压仅为 U CC电压 , 但其容量由下列因素决定 :驱动器电路的静态电 流、电平转换器电流、MOSFET 的栅源正向漏电 流、MOSFET 栅极电容的大小 ,以及自举电容的 漏电流的大小。为了减小自举电容的漏电流 ,应 尽量采用非电解电容。自举二极管必须能够承受 干线电压的反压 ,其电流额定值应为栅极电荷与 开关频率的乘积。当开关频率较低时 ,要求电容 保持电荷较长时间 ,二极管的高温反向漏电流尽 量小。同样为了减小自举电容反馈进电源的电荷 数量 ,二极管应选用超快速恢复二极管。 93　第 3 期 李正中 等 : 高压浮动 MOSFET 栅极驱动技术 　 　 4 　利用 IR2125 的充电泵模式实现 MOS 高压浮动连续驱动 　　在需要高压侧 MOSFET 连续导通的应用 中 ,如控制直流电机的运转 ,不能使用自举模式来 控制以降低成本 ,必须使用隔离电源才能保证 MOSFET 正常工作 ,但成本较高。图 9 提供了一 个隔离电源方案 : 充电泵电路。充电泵使用 CMOS 555 定时器给 IR2125 提供低的工作电流 需要。当 MOSFET 关断时 ,自举电容通过自举 二极管和负载进行充电。当 MOSFET 导通时 , 通过和地连接的100 KΩ电阻给接在 555 定时器 1、8 脚之间的100 nF电容充电 ,产生以 IR2125 第 5 脚为参考点的 - 15 V电压。充电泵电路由两个 IN4148 二极管和一个 10 nF的电容组成 ,它将 555 的 3 脚的输出的7. 5 kHz方波转变为以 U s 点 为参考电压的 + 15 V电压 ,并给自举电容充电。 图 9 　IR2125 充电泵工作模式电路图 　　电路启动时 ,MOSFET 开通时 ,自举二极管 阻断 ,555 的 8 脚和 IR2125 的 8 脚与 + 12 V电源 相连接 ,自举电容上的电压开始降落 ,同时位于 555 定时器 1 脚和地之间地100 KΩ电阻开始对与 其相连地100 nF电容进行充电 ,为 CMOS 定时器 产生电源电压。充电泵的输出电压随电源电压增 加而增加。充电泵维持自举电容上的电压 ,并使 其保持在 IR2125 欠压门限之上。 电路设计时 ,应考虑 555 最大工作电压为 18 V ,因此稳压二极管的稳压值应小于18 V ;充 电电阻100 KΩ/ (1 W) 的 ,功率应根据高压电源 值、IR2125 高端最大电源电流值 ,最小工作电源 电压值定时决定。 5 　结束语 目前汽车由涔流制动系统的开关大多采用接 触器来实现。由于汽车运行环境恶劣 ,开关通过 电流大 (可达100 A) ,开关频繁 ,因此接触器每 3 万公里就要进行一次更换 ,给汽车的维护保养带 来很大负担。如采用 MOSFET 替代接触器 ,即 可降低成本 ,增加系统的可靠性 ,同时给维护保养 带来很大方便。实际应用中 ,充电泵模式驱动采 用高压浮动 MOSFET。替代汽车制动系统中的 接触器取得了良好效果。 参考文献 [ 1 ] 张　立. 现代电力电子技术基础[ M ] . 北京 : 高等教育出版 社 ,2001. [2 ] 龚春英 ,刘熠 ,肖岚. 几种 MOSFET 驱动电路的研究[J ] . 电 源技术应用 ,2001 ,3 :40～42. 　 (上接第 29 页) 微型计算机以及 DSP 等上述设备以外 ,现场可编 程门阵列 ( FPGA) 也已在电力电子电路中得到应 用 ,而 DSP + FPGA 结构或嵌入 DSP 模块的 FP2 GA 结构芯片将在未来的电力电子电路的控制系 统中大显身手。 参考文献 [1 ] 梁汉滨. 电力电子装置的微型计算机化设计[ M ] . 北京 :机械 工业出版社 ,1990. [ 2 ] 孙涵芳. Intel 16 位单片机[ M ] . 北京 :北京航空航天大学出版 社 ,1995. [ 3 ] 刘文华. 通信开关电源系统的微机监控[J ] . 电力系统自动化 , 1997 ,21 (6) :64267. [ 4 ] 黄凤英. DSP 原理与应用[ M ] . 南京 :东南大学出版社 ,1997. [5 ] 谭弗娃. 21 世纪的电动机控制与电子技术展望 [J ] . 电气时 代 ,2001 ,9 :123. [ 6 ] 常　骏. 逆变器空间对称 PWM 信号微机实时控制方法 [J ] . 船电技术 ,2001 ,21 (3) :20223. [ 7 ] 赵　玲. 应用 DSP 抑制电力电子装置的谐波[J ] . 华东电力 , 2000 ,28 (8) :14216. [8 ] Chan C H. DSP Controlled Power Converter [J ] . Proc. Int . Conf . Power Electron & Drive System , 1995 ,1 : 3642369. 作者简介 袁　宁 : (1970 - ) ,女 ,湖南郴州人 ,教师 ,主要研究方向为计 算机应用技术。 04　　　　　　 通 信 电 源 技 术 2003 年 6 月