阻尼比: (22)
阻尼角: (23)
(24)
3)时,系统不振荡。此时,
Ls<0.25CissR12 (25)
理想情况下, Ls=0,系统即退化成图3所示的一阶系统。
试验:要求设计驱动变压器,变比1:1,驱动电压12V,开关频率30kHz,MOSFET管型号IXTK15P,参数:trr=150ns;Ciss=7000pF;Qg=240nC,3只并联使用,此时,Ciss=21000pF。栅极电路如图2。
电路开通动态分析:
由式(6),时间常数τ≈R1Ciss=10×21000×10-12=2.1×10-7s;
由式(7),栅极电压:
由式(10),栅极串联电阻R1电流:
由式(11),电路瞬时功率:
由式(12),上升时间:tr=2.2τ=4.62×10-7s
开通瞬态过程(0~1μs)仿真结果如图6:
驱动变压器设计参数:
由式(13),变压器输出电流有效值:
由式(14),变压器功率:
P=I·U1=0.095×12=1.14W
由式(19),系统临界振荡的变压器漏感:
Ls=0.25CissR12=0.25×21000×10-12×102=5.25×10-7H=0.525μH
为了说明变压器漏感和线路杂散电感Ls对驱动的动态过程的影响,针对本设计,根据式(21)-(24),对不同Ls值进行开通过程(0~5μs)仿真,结果如图7。
当变压器漏感以及分布电感Ls超过临界值(如0.525μH)时,系统振荡。如果Ls过大(如4μH),一方面会使得上升时间延迟,另一方面,栅-源极间电压超调量过大,可能将会引起MOSFET管开通过程不稳定,甚至危及管子安全。因此,期望Ls小些好,所以,尽量减少变压器漏感和引线长度。
驱动变压器功率、电流都很小,在工程设计中,考虑留下余量,应该取大一些磁芯,这样做的另一个好处是,减少了变压器匝数,减少漏感量。为了进一步减少漏感,初、次级绕组导线并行绕制。此外,考虑到初次级会产生很高的电位差,应保证初次级绕组导线足够的绝缘强度。
设计的驱动变压器:磁芯PC44 EPC13,初级匝数26,次级匝数26,磁感应强度0.25T,漏感0.55μH,外形尺寸20.4×13.3×7。
实验表明,驱动变压器工作稳定可靠,损耗低,驱动波形上升沿、下降沿陡峭,无过冲现象,与仿真结果接近,满足设计要求。驱动变压器输出驱动波形如图8。
4 结论
1)驱动电路的任务就是针对MOSFET管开通、关断过程中的寄生电容进行充放电。驱动变压器是常用的磁耦元件,起到传输驱动信号和功率的作用;
2)为了加速开通,减少损耗,对驱动电路的基本要求是内阻要小,但代价是增大了驱动变压器输出电流和功率;
3)驱动变压器输出电流和功率还与开关频率和驱动电压有关,并随着频率提高或电压提高而增大。
4)为了驱动过程快速、稳定、安全可靠,抑制高频振荡,尽量减少变压器漏感和引线长度。