具有高頻高速功能的場效應管驅動電路

謝鴻齡 牛林 劉祥明

（紅河學院，云南 蒙自 661100）

具有高頻高速功能的場效應管驅動電路

謝鴻齡 牛林 劉祥明

（紅河學院，云南 蒙自 661100）

高頻環境下，驅動場效應管時，隔離變壓器會受分布參數的影響，放大時三極管容易飽和，影響場效應管的開關速度。本設計采用雙線并繞的方法制作導線和變壓器，可以使影響場效應管開關的分布電感、趨膚效應等分布參數減到最小，大幅提升信號傳輸的速率且信號失真度低。

場效應管；驅動電路；高頻；高速；抗飽和

1 背景分析

在現有技術中，超高頻的環境下，驅動電路中的起隔離作用的變壓器由于電路存在分布電感、高頻趨膚效應及各種分布參數的影響，變壓器的輸出和原始輸入的脈沖之間會存在很大的信號延遲和畸變，因此，傳統的變壓器不能達到驅動和隔離的要求。此外，場效應管的驅動電路在使用三極管進行驅動信號放大時，常常會因為三極管的飽和問題無法讓場效應管做到快速開通和關斷，因此，探索具有較快開關速度的高頻高速的場效應管驅動電路成為了新開發產品中的一個必須解決的問題［1］。

2 超高頻信號的隔離

本文所設計的驅動電路的隔離為變壓器隔離，但當傳輸功率400W、傳輸頻率200kHz左右就達到了脈沖變壓器的極限［1］，這樣的技術指標在高頻環境下是不能滿足要求的，市場上的脈沖功率傳輸變壓器，其傳輸功率的上限已達到上千瓦、傳輸頻率的上限也達到3MHz以上。通過分析可知，高頻脈沖功率傳輸變壓器在保持輸出信號基本不變的條件下，其傳輸功率和工作頻率的乘積近似為恒定，即傳輸功率增大時工作頻率自然降低，傳輸功率降低時工作頻率自然升高。原因是變壓器的繞組存在的高頻趨膚效應及各種分布參數的共同影響，解決的辦法是全面改進變壓器的繞制方法，使之全面減少不利因素的影響［1，2］。

3 隔離變壓器的制作

采用超高頻磁芯以減少導線的匝數，全部繞組均采用線徑0.03～0.08mm的高強度漆包線繞制，傳輸頻率越高，所用導線的直徑越小；全部繞組均以分段方式繞制在磁芯的骨架上［2］。

通過分析可知，采用細漆包線均勻絞合后同時繞制變壓器的原副邊，能大幅降低原副邊繞組的分布電感，而采用分段繞制方式能有效降低繞組的分布電容和趨膚效應，繞組線徑越小，分段數越多，分布電容和趨膚效應的影響越小。實測表明，用本方法繞制的脈沖功率傳輸變壓器在高頻環境下能做到較好的隔離驅動信號且信號延時很小，保證了傳輸速度［2］。

4 影響三極管開關速度的因素

本文所設計的驅動電路的信號放大由三極管完成，雖然三極管的特征頻率已經達到上百兆赫茲，但高頻環境下導通時，由于電路導線的分布參數及外電路的時間常數的影響，三極管內部載流子的累積較慢，三極管的電流從導通后到增加到工作電流需要一段時間［3］；三極管處于放大狀態，基極電流增大時，集電極電流亦將增大，集電極電位將下降，當集電極電位下降到0.7V以下時，集電結將從反向偏置變為正向偏置，從放大狀態變為飽和狀態。此時，基極電流將失去對集電極電流的控制作用；載流子將在三個導電區不斷累積，此時不能快速關斷，因為三極管三個導電區累積的大量載流子只能通過復合來減少，而復合過程也是時間較長的過程，關斷時間也會變得較長。

所以，三極管的開通受分布參數及載流子累積速度的影響，無法實現快速；而關斷時受到三極管飽和狀態的影響，也無法實現快速［3］。可見，三極管的開關時間要提升一個量級是比較困難的。

5 貝克抗飽和電路

通過分析三極管的開關過程可知，驅動電路驅動場效應管要實現快速開關，關鍵在于如何讓三極管不進入飽和狀態而持續工作在放大狀態。本文所設計的驅動電路采用貝克抗飽和電路解決三極管極易飽和的問題［3，4］。如圖1所示，貝克抗飽和電路采用三個導通壓降均為0.7V的肖特基二極管組成；當晶體管V1的基極與發射極之間接入驅動信號且信號電壓幅值達到0.7V時［3，4］，則晶體管V1導通，二極管VD1的陽極電位為2.1V，V1的集電極電位為1.4V，所以，只要三極管V1導通且其管壓降為1.4V，三極管V1就不會進入飽和狀態，而會一直工作在放大狀態。而當三極管V1管壓降即V1集電極電位升高時，二極管VD3的陽極和陰極電位差減小，電流下降，電流將主要流入三極管V1的基極，則基極電流增大，集電極電流隨之增大，集電極電位下降，則三極管V1管壓降下降；二極管VD1、VD2、VD3構成了電壓并聯負反饋，使三極管的開通壓降永遠被箝位在1.4V左右，工作狀態一直是放大狀態，不會進入飽和狀態，從而達到極大地提升場效應管開關速度的目的［3，4］。

6 具有高頻高速功能的場效應管驅動電路

圖1為具有高頻高速功能的場效應管驅動電路，驅動電路由隔離變壓器和貝克抗飽和電路組成［1，3］，二極管VD1、VD2、VD3構成了電壓并聯負反饋，使三極管的開通壓降永遠被箝位在1.4V左右，工作狀態一直是放大狀態，不會進入飽和狀態，驅動電路全部連接線包括隔離變壓器均采用線徑0.03～0.08mm的高強度漆包線繞制，并且雙線并繞。這就使導線的分布電感、高頻趨膚效應及各種分布參數減到最小［1，2］，場效應管的開關速度就可以達到很高的速度。

圖1 具有高頻高速功能的場效應管驅動電路

7 結論

具有高頻高速功能的場效應管驅動電路，三極管導通后一直工作在放大狀態，極大地提升了場效應管的開關速度；采用雙線并繞的方法制作導線和變壓器［1，2］，可以使導線的分布電感、導線的高頻趨膚效應及各種分布參數減到最小，從而大幅提升其信號傳輸的速率且信號失真度低；驅動場效應管開通和關斷的時間均是40ns以內，開關速度比普通驅動電路提升了約兩個數量級；但受制于電路連接、分布參數的影響，不一定能達到理論開關時間。本文所設計具有高頻高速功能的場效應管驅動電路已經獲得實用新型專利權，證明設計的可行性，為具有高頻高速功能的驅動電路的設計提供了一種設計方法。

［1］謝鴻齡，劉祥明，張英爭，等.一種高頻高速場效應管驅動電路：中國，ZL201621419279.8［P］.2017-06-13.

［2］謝鴻齡，盧誠，張英爭，等.一種超高頻脈沖功率傳輸變壓器：中國，ZL201320037047.6［P］.2013-07-31.

［3］謝鴻齡，牛林，劉祥明.一種超高速模擬單向可控硅及其制作方法：中國，CN105703746A［P］.2016-06-22.

［4］陳學鋒.淺談晶體三極管開關速度的提高［J］.河南機電高等專科學校學報，2015（2）：10-12.

Field Effect Tube Drive Circuit with High Frequency and High Speed Function

Xie HonglingNiu LinLiu Xiangming
（HongheUniversity，Mengzi Yunnan 661100）

Under the environment of high frequency,driving field effect tube,isolation transformer will be affected by the distribution parameters,the triode easily saturated amplification,affect the switching speed of field effect tube; This design adopts the method of making bifilar winding wire and transformer,can influence the distribution of the field effect tube switch inductance and skin effect,to minimize the distribution parameters,improved the signal trans?mission rate and signal distortion is low.

field effect tube；drive circuit；high frequency；high speed；anti saturation

TN386.1

A

1003-5168（2017）08-0090-02

2017-07-02

國家自然科學基金“有色冶金過程系統的不確定動態優化算法”（61463013）；云南省科技廳青年項目“風光儲多能互補的微電網運行及能量優化研究”（2015FD049）。

謝鴻齡（1988-），男，碩士，助教，研究方向：微電網運行、電子變流；牛林（1963-），女，教授，碩士，研究方向：過程控制；劉祥明（1979-），男，講師，博士，研究方向：智能機器人。