具有宽占空因子范围的隔离式MOSFET驱动器

核心器件: IN5819



图1，调制方法使人们有可能在很宽的占空因子范围内实现功率 MOSFET 的隔离式栅极驱动电路。

图 1 所示电路主要用途是用于驱动频率范围为 1 Hz 至 300 kHz、占空因子为 0 ~ 100%的功率 MOSFET。使用一个无铁芯的印制电路板变压器就可以实现这一目标。大多数功率电子电路的开关频率都在数赫至几百千赫的范围内。为了设计一个开关频率低于300kHZ的无铁芯隔离式变压器的栅极驱动电路，你可以用一个低频控制信号调制一个高频载波。初级的能量可通过使用 3 MHz 高频载波信号来传送。栅极控制信号通过调制过程耦合到次级输出端。二进制计数器 IC3对时钟振荡器 IC2产生的 24MHz 信号进行八分频，获得3MHz 信号。纯/互补缓冲器 IC6产生两个互补的3MHz信号，两者间延迟很小。“与非”门 IC5实现调制过程。


图2，顶部迹线为流经变压器次级的交流信号，底部迹线为低频控制电压。

本设计利用C3的电容值来获得工作频率下的最大阻抗。一个倍压器(D1、D2、C4)提供栅极驱动电压。本设计将一块 555（IC7）用作一个施密特触发器，因为555的功耗小。D3 防止 C6 中储存的能量泄放到R1中。正如你从图2中看到的，当控制电压很高时，一个 3MHz 的交流信号出现在变压器初级上，从而给电容器 C5 和贮能电容器 C6 充电。 IC7 的输入端变为高电平，从而使 MOSFET 导通。当控制电压变为低电平时，变压器初级上的电压下降为零，IC7的输入端变为低电平，MOSFET 截止。图2和图3示出了控制电压、变压器次级电压以及 MOSFET 栅极电压。


图3，顶部迹线为 MOSFET 的栅极驱动电压；底部迹线为变压器次级的交流信号。


图4，在3MHz时变压器输入阻抗的峰值。

变压器的尺寸和3MHz 载波频率使次级、初级电压具有很好的关系从而使栅级驱动电路的输入功率减到最小程度。变压器在电路板底部有一个圆形螺旋初级绕组。初级绕组为 20 匝 0.3mm 宽的导体。环形螺旋次级绕组在电路板的正面，为 15 匝 0.4mm 导体。两个绕组的导体厚度均为 35μm，最外沿半径为 25 mm。电路板厚度为 1.54 mm。图 4 示出了在变压器次级绕组终接 C3的情况下变压器输入阻抗的频率图。网络分析仪显示，最大阻抗出现在大约3MHz。图5是一个工作原型的照片。


图5，无铁芯变压器的原型具有很宽的占空因子范围。