一種ESBT管的新型驅動電路

張 磊

ZHANG Lei

（中國空空導彈研究院，洛陽 471099）

0 引言

中小功率的DC-DC變換器，在應用到單相場合時，包括無PFC以及有PFC的場合，輸入電壓范圍為300V～400V；在應用到三相場合時，輸入直流電壓將近550V，加入功率因數(shù)校正后往往就超過600V。在此應用場合下，對于單管隔離電路（正激、反激）開關管的電壓應力為兩倍的輸入電壓，普通開關管的耐壓往往就力不從心，需要借助使用雙管電路拓撲。這里介紹一種可用的高耐壓的射極開關雙極型晶體管ESBT (Monolithic Emitter-Switching Bipolar Transistor) ，對于三相整流應用場合甚至更高輸入電壓的場合也可以只用一個開關管。文章在現(xiàn)有的該管驅動電路的基礎上進行改進，結合軟開關電路提出一種改進的驅動電路，制成一臺額定功率80W、最大輸入電壓800V的反激電路樣機，并和現(xiàn)有的驅動電路進行比較。

1 ESBT的原理

在設計電路選擇功率開關器件時，擊穿電壓、開關速度和開通正向壓降是主要需要考慮的三個因素。功率MOSFET器件驅動功率小、開關速度高，因此在中小功率、中低電壓場合被廣泛應用，但MOSFET很難應用到比較高的電壓場合，一是因為MOSFET本身的能做到的最大耐壓不高，同時MOSFET隨著擊穿電壓的增大，通態(tài)電阻急劇增大。功率BJT器件的擊穿電壓可以遠高于MOSFET，同時能流過較大密度電流，但是其開關速度以及相對較大的驅動功率限制了其在中小功率DC-DC中的應用。ESBT管正是結合了低壓MOSFET開關速度快和BJT耐壓高的特點，采用近似于一個BJT和一個MOSFET級聯(lián)的結構，在雙極晶體管的射極加入一個低壓MOSFET，在關斷時強制阻斷BJT上的電流以使管子快速關斷，提高了開關頻率，在阻斷狀態(tài)時，耐壓主要降落在BJT上。等效圖如圖1中虛線框內所示。

圖1 ESBT管等效電路圖

由等效圖不難知道，驅動ESBT管需要兩路驅動，一路為PWM脈沖電壓信號驅動門極G，另一路為驅動基極的電流信號。最基本的驅動拓撲如圖1所示，當門極電壓上升為正的瞬間，電容CG通過回路放電，基極流過很大的電流加速管子開通。穩(wěn)態(tài)時，基極上的直流電源開始給基極提供一個電流，大小約為：

2 改進的驅動電路原理

由于反激電路的變壓器需要增加氣隙，因此漏感都比較大，為了減小開關管關斷時在開關管上產生的電壓尖峰，通常都會有RCD回路來吸收漏感上的能量，但代價是在R上消耗很大的能量，電阻R可能是電路里最熱的點，影響電路穩(wěn)定。因此，文章嘗試引入緩沖電路，將漏感的能量轉移到基極電容CG上，用于驅動開關管。同時還能獲得比使用RCD吸收電路更好的開通關斷特性，實現(xiàn)零電流關斷。圖2示出改進的驅動電路拓撲。

圖2 ESBT管改進的驅動電路拓撲

該電路的一個開關周期可以分成n個工作階段，忽略開關管關斷時電流對開關管CS間的寄生電容的充電時間，每一個工作階段的工作原理如下：

1）階段一（t0-t1）t0時刻開關管關斷，漏感Lk的電流Ik通過D1向電容Cr充電，同時，電容電壓被變壓器原邊電壓（即變壓器副邊輸出電壓UO乘以變比n）箝位，假設存儲在漏感上的能量都轉移到電容上，由以下等式關系，可以據(jù)此取值電容Cr。

圖3 ESBT管驅動電路階段一工作狀態(tài)

2）階段二（t1-t2）t1時刻，開關管門極信號變正，在基極電容CG和電源V的作用下開關管迅速開通，此時電容Cr上電壓左負右正，D2開通，電容電壓加到電感Lr上，能量開始由電容Cr向Lr轉移。但由于此時電感上電壓為上負下正，且CG上電壓為上正下負，二極管D3仍將維持關斷狀態(tài)。該過程為一個二階過程，開關管通態(tài)電阻為Ron，則有以下方程：

圖4 ESBT管驅動電路階段二工作狀態(tài)

3）階段三（t2-t3）當電容Cr上的電壓值達到Ut時，二極管D3開通：

電感電流開始同時向電容Cr和CG充電，忽略各個二極管的管壓降和開關管通態(tài)壓降，兩個電容等效看做是并聯(lián)，該過程也可以等效為一個二階過程。電容Cr上電壓為左正右負，CG上電壓為上正下負，并且兩電容電壓通過兩個二極管D2、D3箝位。由于一般電容CG的值遠大于Cr的值，因此意味著電感上能量的絕大部分向電容CG上轉移。當電感上電流降到零，二極管D2、D3即反向截止，階段三結束。

圖5 ESBT管驅動電路階段三工作狀態(tài)

4）階段四（t3-t4）電容Cr上的電壓維持左正右負，電容CG上的電壓大于電源V的電壓，二極管D4截止，由電容CG提供基極的驅動電流，直到CG上電壓降落到和電源V相等，階段四結束。

圖6 ESBT管驅動電路階段四工作狀態(tài)

5）階段五（t4-t0）電容Cr上的電壓繼續(xù)維持左正右負，電容CG上的電壓被電源V箝位，管子基極驅動電流由電源V提供，電流值如式(1)所示，進入穩(wěn)態(tài)導通狀態(tài)，直到下一個關斷信號到來，一個開關周期結束。

圖7 ESBT管驅動電路階段五工作狀態(tài)

各個階段的等效電路如圖3所示，圖8是各個工作階段主要波形，圖中為了突出各個工作階段，對某些階段時間進行了放大，不代表真實時間長度。

圖8 ESBT管驅動電路工作階段主要波形

3 結論

根據(jù)上述原理，制成一臺150V～800V輸入、24V輸出，功率為80W的反激電路樣機，進一步驗證了上述實現(xiàn)方法的正確性。

樣機使用型號為STC04IE170HV的ESBT管，額定最大耐壓1700V，采用L6565芯片控制。變壓器比n=10，電感Lr=5uH，電容Cr=6.8nF。圖9是用示波器測量出的波形。

圖9 ESBT管驅動電路工作實際波形

這個新的驅動電路，使用了軟開關技術，顯著降低了ESBT管的開關損耗。電路的功率可以比普通mosfet做得更大，而且開關頻率可以比IGBT做的更高。在中低功率的應用場合，尤其是flyback電路會有一個很好的應用前景。

[1] Ju-Sung Park, Arnost Nugroschel, Victor de la Torre, Peter J. Zdebel.Measurement of Collector and Emitter Resistances in Bipolar Transistors[J].IEEE Transaction on Electron Devices, 1991,38(2):365-372.

[2] N. Mohan, T.M. Undeland, W. P. Robbins. Power Electronics: Converters, Applications, and Design[M].Second edition, John Wiley & Sons,New York,1995.

[3] S. Buonomo, S. Musumeci, R. Pagano, A. Raciti, C. Ronsisvalle, R.Scollo.A New Monolithic Emitter-Switching Bipolar Transistor (ESBT)in High-Voltage ConverterApplications[A].2003 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, Salt Lake City, Utah, USA[C].2003,10:12-16.

[4] V. Enea, D. Kroell, M. Messina, C. Ronsisvalle. The ESBT? (Emitter-Switched Bipolar Transistor): a new monolithic power actuator technology devoted to high voltage and high frequency applications[A].Solid State Device Research Conference[C].2007,9:11-13.