[发明专利]场效应管驱动电路

说明书

技术领域

本发明是有关于一种开关电源技术，且特别是有关于一种高效率场效应管驱动电路，其应用于开关电源。

背景技术

在很多电路中，特别是开关电源中，场效应管常被用来作为开关的元件，用于导通和阻断电路的某一部份，特别是大电流高电压的功率转换部份。因为是高功率电路，场效应管导通时常常要承受大电流，阻断时常常要承受高电压。当场效应管阻断和开通的过程中产生功率损耗。

图1为场效应管关断时的波形图。200为场效应管漏极到源极的电流。204为漏极到源极的电压。202为门极驱动电压。以N型的场效应管作例子进行说明，在t2之前场效应管以最大的速度关断以减小功率损耗。而场效应管的门极（gate）的电压有个平台（t1到t2），在这个平台时期场效应管漏极和源极之间的电压几乎升到了跟输入直流电压相平的电压。如果继续保持高速度关断，将引起强烈过冲。图1中的阴影部分即为每一次关断时的损耗，可见频率越高功率损耗越大。

另外，开关电路中的开关器件，例如是场效应管，导通时的最小电阻值对功率损耗影响很大。导通电阻越高，功率损耗就越高。而通常从漏极到源极额定电压低的场效应管的导通电阻小于额定电压高的场效应管。因此为了要减小功率损耗，常常选择尽可能低的额定电压的的场效应管。场效应管开关电路中产生的电磁干扰应该被减少到最小。开关电路中的电磁干扰是由开关过程引起。而电压越高产生的干扰越大。

在开关电路中，因为开关的速度较高，比如以100或200纳秒级的速度开关，这速度常常引起在漏极和源极上电压的过冲和尖刺。这是因为连接源极或漏极的通路总有一定的长度，而这长度就会有一定的电感。电感的特征就是其中的电流不能突变。所以当场效应管迅速关断时，电感中的电流对场效应管漏极到源极上的电容充电后，与电容一起形成二阶振荡电路，使得场效应管漏极到源极的电压过冲并产生振荡。如果不采用任何措施阻尼过冲电压和振荡，那么为了避免场效应管的损坏，必须使用高额定电压的场效应管。因此功率损耗大大增加。而高频率振荡的电压产生了电磁干扰，可能破坏其他电子设备的正常工作。如图2所示，为没有任何阻尼措施的场效应管漏极到源极的电压波形仿真结果。在图2中，显示的是没有任何阻尼电压过冲和振荡波形。实际的直流电压只有75伏左右，但场效应管关断时的电压过冲到280伏，并强烈振荡。图3显示没有阻尼的场效应管关断时的功率损耗。因此，降低电压过冲，减低振荡，成为场效应管驱动电路需要解决的一个重要问题。

现有技术中，有几种典型的做法。第一种是延长关断时间。图4为低速率关断的场效应管漏极到源极电压仿真波形。图5为低速率关断的开关功率损耗仿真结果。当关断时间延长时，电感中的电流有足够的时间减下来。但这个方法大大增加了关断时的功率损耗，场效应管也因此要求体积增大以降低由功耗引起的温升。

另一种方法是在场效应管的漏极和源极加阻尼器。典型的阻尼器由二极管，电阻和电容组成，如图6所示。图6为现有技术中典型的场效应管开关电路。图中110为场效应管驱动电路。102为场效应管。二极管104，电阻106，和电容108组成了阻尼器来降低场效应管源极到漏极的电压尖刺。线电感100是造成电压尖刺的原因。当场效应管102关断时，开始对电容108充电。因为电容108上的电压不能突变，所以关断时的电压过冲被电容108吸收，最高过冲电压大大降低。图7为利用阻尼器的场效应管漏极到源极的电压仿真结果。图8为利用阻尼器的功率损耗仿真结果。当场效应管102导通时，电容108上的电压通过电阻106进行放电，将能量消耗在电阻106上。使用阻尼器的方法需要更多的外部元件，而且因其功率损耗随着电压大小及其他因素变化，其元件的功耗很难计算准确，导致元件尺寸很难选择。

第三种方法是在关断初期，以快速度关断。然后一延迟电路产生一定的延迟后，将开关速度降慢，所以过冲电压能够被场效应管及时吸收。这个方法可以大大减小功率损耗，同时又起到降低过冲电压的功能但不增加元件。但因为场效应管有成千上万种，每一种的关断速度等都各不相同，因此如果不增加延迟可调功能，很难做到优化开关时机，从而优化过冲电压的阻尼功能。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种场效应管驱动电路，其具有延迟可调功能，高效稳定。