电力场效应管电路分析

电力场效应管适用于1000KV以下的中小功率场合，主要指电力MOSFET，其采用多元集成的垂直导电结构，有V形槽导电的VVMOSFET和双扩散MOS结构的VDMOSFET，目前比较流行的是VDMOSFET，比较常用的是其中的N沟道增强型。增强型的含义是，当栅源电压Ugs超过开启电压Uth后，Ugs越大，漏源之间导通电阻Rds越小，导电能力越强；栅源之间隔着很薄的二氧化硅绝缘层，形成类似平板电容的寄生电容C，其中电场强度E=Ugs/d，间距d很小，对Ugs有格的要求，一般为10~15V，极限值为±20V,否则电场太强会击穿二氧化硅。电力MOS管多数用作开关管，工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间切换；通常说的输入阻抗极高，输入电流可忽略，是指直流静态特性。在栅极施加高频驱动脉冲时，充放电电流i=C*dUgs/dt ，频率越高，电流越大 ;对栅极输入电容充电为开通过程，放电为关断过程；栅极输入电容为皮法级的小容，充放电很快，MOS 管开关速度很快，工作频率是主流电力电子器件中最高的，可达100KHz以上。开关频率越高，充放电电流越大，所需驱动功率也越大。提高工作频率，有利于设备小型化。半导体变流技术离不开电感、电容和开关变压器，而电感、电容起作用的实质体现在感抗和容抗上，感抗XL=2兀fL，容抗 Xc=1/2兀fC，由此可见，提高频率等同于增加电感量和电容量，这样就可成倍地减小体积；由于能量转换速度加快，开关变压器容量和体积也大大减小。

图一 N沟道增强型VDMOSFET

图二 电路图符号

图一为N沟通增强型VDMOSFET断面示意图及等效电路图，在电路图中一般使用图二所示的两种图形符号。图形符号中的箭头方向与反并联寄生二极管的方向是一致的。电力电子器件的损耗发热，是必须深刻理解的内容。对照图三所示的损耗示意图，分析损耗的组成。

图三 损耗分析示意图

先看图三(a)，断态损耗：功率MOSFET(P-MOS)关断时，漏极电流Id近视为零，漏、源极承受最大工作电压Uds，损耗P=Id*Uds=0; 通态损耗：Id达到最大工作电流，P-MOS完全导通，漏源之间电阻Rds达最小值，Uds=Id*Rds下降到很低，P=Uds*Id比较小，处于正常的低损耗发热状态；

开关损耗包括导通过程损耗和关断过程损耗。导通过程中，Id逐渐上开，Uds逐渐减小，Id*Uds之积形成损耗面积，面积与开通速度有关，开通越快，面积越小，损耗P也就越小；关断过程中，Id逐渐下降，Uds逐渐增大，关断越快，损耗面积越小。

看图三(b)，在没有正确驱动P-MOS时，导致其未完全开通，此时Rds比较大，Uds没能下降到很低的值，在Id也比较大时，会形成巨大的通态损耗，使P-MOS过热损坏。

基于以上认知，下面以具体电路说明驱动电路的相关要求。为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小，驱动电流足够大；由于关断时间一般都大于开通时间，关断时施加负驱动电压可减小关断时间和关断损耗；栅极串入几十欧小电阻，可抑制可能产生的驱动信号振荡。

图四 光耦隔离推挽驱动电路

图四驱动电路中，光耦OC1起隔离传导干扰和电平转换作用；远放A构成比较器，用于驱动信号整形，使脉冲边沿更加陡峭；T2、T3构成互补推挽电路，共射输出，输出电阻小，任何时刻只有一个能导通。T2、T3不可接成共集电极输出，该结构在电压跳变过程中，会发生T1、T2同时导通的后果；D1、Rg2单独提供低阻放电回路，以进一步减小关断时间，D1需用快恢复二极管。控制器P1.0输出低电平时，比较器输出负电平，T3导通输出负驱动电压，栅极电容放电，MOS管快速关断；P1.0输出高电平时，比较器输出正电平，T2导通输出正驱动电压，栅极电容充电，MOS管快速开通。

图五 脉冲变压器隔离驱动

在驱动如图五所示主电路时，随着低压侧Q2的截止与导通，A点的电位是浮动，即高压侧Q1管的源极电位是变动的，一般方法难以施加栅源驱动电压Ugs ，同时主电路的电压一般都比较高，难以保证驱动电路安全工作，在这种情形下，最好的办法是用脉冲变压器(PTR)进行隔离，PTR可以隔离一切电位，且能把确定的电位差传递到次级，即能保证栅源之间有合适的驱动电压，而不管S极电位如何变动，既解决了电位浮动问题，又实现了危险电压的隔离。对PTR的要求是：耦合电容要小，使之具有抗干扰能力；漏感小，瞬时传输功率高；体积要小，抗电强度高。在图五的PTR隔离驱动电路中，R1、D1起续流作用，防止反电势损坏T1；D2、D3用于脉冲整形，确保G极使用正脉冲快速充电；R4、R5提供放电回路；DZ1、DZ2起限制栅源电压的作用，使之不超过±20V，防止栅源之间的绝缘层被击穿。

图六 驱动等效电路

任何驱动都可等效成图六所示的电路，其中R0为与栅极串联的驱动电路等效内阻，L1为细长弯曲铜箔或引线引起的寄生电感，Cg为栅极等效输入电容，它们构成了RLC串联电路。驱动脉冲中含有各种频率成份的信号分量，开通过程中，当某一频率与线路固有频率相同时，可能引起RLC电路的串联谐振现象，此时该频率信号的电流I达到最大值，当容抗Xc>>R0时，电容上的电压Uc=I*Xc有可能超出栅极极限电压，即使没有超出极限，也会引起驱动电压Ugs振荡，当Ugs在阈值电压Uth附近振荡时，会造成MOS管不能完全开通，反复进入高阻导通状态，引发极大损耗，发热严重；关断过程中，当R0很小时，会发生欠阻尼振荡，造成关断缓慢而产生较大的损耗。为抑制谐振，就要降低谐振品质因数Q=XL/R,需适当加大G极的串联电阻，并设法减小寄生电感；加大电阻和减小电感，也能使RLC串联电路进入临界阻尼或过阻尼状态而不发生关断时的振荡。

审核编辑：汤梓红