一種ESBT管的新型驅(qū)動(dòng)電路

張 磊

ZHANG Lei

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，洛陽(yáng) 471099）

0 引言

中小功率的DC-DC變換器，在應(yīng)用到單相場(chǎng)合時(shí)，包括無PFC以及有PFC的場(chǎng)合，輸入電壓范圍為300V～400V；在應(yīng)用到三相場(chǎng)合時(shí)，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(yīng)用場(chǎng)合下，對(duì)于單管隔離電路（正激、反激）開關(guān)管的電壓應(yīng)力為兩倍的輸入電壓，普通開關(guān)管的耐壓往往就力不從心，需要借助使用雙管電路拓?fù)?。這里介紹一種可用的高耐壓的射極開關(guān)雙極型晶體管ESBT (Monolithic Emitter-Switching Bipolar Transistor) ，對(duì)于三相整流應(yīng)用場(chǎng)合甚至更高輸入電壓的場(chǎng)合也可以只用一個(gè)開關(guān)管。文章在現(xiàn)有的該管驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)合軟開關(guān)電路提出一種改進(jìn)的驅(qū)動(dòng)電路，制成一臺(tái)額定功率80W、最大輸入電壓800V的反激電路樣機(jī)，并和現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行比較。

1 ESBT的原理

在設(shè)計(jì)電路選擇功率開關(guān)器件時(shí)，擊穿電壓、開關(guān)速度和開通正向壓降是主要需要考慮的三個(gè)因素。功率MOSFET器件驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度高，因此在中小功率、中低電壓場(chǎng)合被廣泛應(yīng)用，但MOSFET很難應(yīng)用到比較高的電壓場(chǎng)合，一是因?yàn)镸OSFET本身的能做到的最大耐壓不高，同時(shí)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(yuǎn)高于MOSFET，同時(shí)能流過較大密度電流，但是其開關(guān)速度以及相對(duì)較大的驅(qū)動(dòng)功率限制了其在中小功率DC-DC中的應(yīng)用。ESBT管正是結(jié)合了低壓MOSFET開關(guān)速度快和BJT耐壓高的特點(diǎn)，采用近似于一個(gè)BJT和一個(gè)MOSFET級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)，在雙極晶體管的射極加入一個(gè)低壓MOSFET，在關(guān)斷時(shí)強(qiáng)制阻斷BJT上的電流以使管子快速關(guān)斷，提高了開關(guān)頻率，在阻斷狀態(tài)時(shí)，耐壓主要降落在BJT上。等效圖如圖1中虛線框內(nèi)所示。

圖1 ESBT管等效電路圖

由等效圖不難知道，驅(qū)動(dòng)ESBT管需要兩路驅(qū)動(dòng)，一路為PWM脈沖電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)門極G，另一路為驅(qū)動(dòng)基極的電流信號(hào)。最基本的驅(qū)動(dòng)拓?fù)淙鐖D1所示，當(dāng)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(shí)，基極上的直流電源開始給基極提供一個(gè)電流，大小約為：

2 改進(jìn)的驅(qū)動(dòng)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(guān)管關(guān)斷時(shí)在開關(guān)管上產(chǎn)生的電壓尖峰，通常都會(huì)有RCD回路來吸收漏感上的能量，但代價(jià)是在R上消耗很大的能量，電阻R可能是電路里最熱的點(diǎn)，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(zhuǎn)移到基極電容CG上，用于驅(qū)動(dòng)開關(guān)管。同時(shí)還能獲得比使用RCD吸收電路更好的開通關(guān)斷特性，實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。圖2示出改進(jìn)的驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)洹?/p>

圖2 ESBT管改進(jìn)的驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)?/p>

該電路的一個(gè)開關(guān)周期可以分成n個(gè)工作階段，忽略開關(guān)管關(guān)斷時(shí)電流對(duì)開關(guān)管CS間的寄生電容的充電時(shí)間，每一個(gè)工作階段的工作原理如下：

1）階段一（t0-t1）t0時(shí)刻開關(guān)管關(guān)斷，漏感Lk的電流Ik通過D1向電容Cr充電，同時(shí)，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(shè)存儲(chǔ)在漏感上的能量都轉(zhuǎn)移到電容上，由以下等式關(guān)系，可以據(jù)此取值電容Cr。

圖3 ESBT管驅(qū)動(dòng)電路階段一工作狀態(tài)

2）階段二（t1-t2）t1時(shí)刻，開關(guān)管門極信號(hào)變正，在基極電容CG和電源V的作用下開關(guān)管迅速開通，此時(shí)電容Cr上電壓左負(fù)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(zhuǎn)移。但由于此時(shí)電感上電壓為上負(fù)下正，且CG上電壓為上正下負(fù)，二極管D3仍將維持關(guān)斷狀態(tài)。該過程為一個(gè)二階過程，開關(guān)管通態(tài)電阻為Ron，則有以下方程：

圖4 ESBT管驅(qū)動(dòng)電路階段二工作狀態(tài)

3）階段三（t2-t3）當(dāng)電容Cr上的電壓值達(dá)到Ut時(shí)，二極管D3開通：

電感電流開始同時(shí)向電容Cr和CG充電，忽略各個(gè)二極管的管壓降和開關(guān)管通態(tài)壓降，兩個(gè)電容等效看做是并聯(lián)，該過程也可以等效為一個(gè)二階過程。電容Cr上電壓為左正右負(fù)，CG上電壓為上正下負(fù)，并且兩電容電壓通過兩個(gè)二極管D2、D3箝位。由于一般電容CG的值遠(yuǎn)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(zhuǎn)移。當(dāng)電感上電流降到零，二極管D2、D3即反向截止，階段三結(jié)束。

圖5 ESBT管驅(qū)動(dòng)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(fù)，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(qū)動(dòng)電流，直到CG上電壓降落到和電源V相等，階段四結(jié)束。

圖6 ESBT管驅(qū)動(dòng)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(fù)，電容CG上的電壓被電源V箝位，管子基極驅(qū)動(dòng)電流由電源V提供，電流值如式(1)所示，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通狀態(tài)，直到下一個(gè)關(guān)斷信號(hào)到來，一個(gè)開關(guān)周期結(jié)束。

圖7 ESBT管驅(qū)動(dòng)電路階段五工作狀態(tài)

各個(gè)階段的等效電路如圖3所示，圖8是各個(gè)工作階段主要波形，圖中為了突出各個(gè)工作階段，對(duì)某些階段時(shí)間進(jìn)行了放大，不代表真實(shí)時(shí)間長(zhǎng)度。

圖8 ESBT管驅(qū)動(dòng)電路工作階段主要波形

3 結(jié)論

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

樣機(jī)使用型號(hào)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(cè)量出的波形。

圖9 ESBT管驅(qū)動(dòng)電路工作實(shí)際波形

這個(gè)新的驅(qū)動(dòng)電路，使用了軟開關(guān)技術(shù)，顯著降低了ESBT管的開關(guān)損耗。電路的功率可以比普通mosfet做得更大，而且開關(guān)頻率可以比IGBT做的更高。在中低功率的應(yīng)用場(chǎng)合，尤其是flyback電路會(huì)有一個(gè)很好的應(yīng)用前景。

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