几种主流MOSFET驱动电路的分析
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几种主流MOSFET驱动电路的分析
　　由于体积小、重量轻、效率高等优点,应用已越来越普及。由于开关速度快、易并联、所需驱动功率低等优点已成为最常用的功率开关器件之一。而的好坏直接影响工作的可靠性及性能指标。一个好的的要求是：本文引用地址：
　　(1)开关管开通瞬时,应能提供足够大的充电电流使栅源极间电压迅速上升到所需值,保证开关管能快速开通且不存在上升沿的高频振荡;
　　(2)开关管导通期间驱动电路能保证MOSFET栅源极间电压保持稳定使可靠导通;
　　(3)关断瞬间驱动电路能提供一个尽可能低阻抗的通路供MOSFET栅源极间电容电压的快速泄放,保证开关管能快速关断;
　　(4)关断期间驱动电路最好能提供一定的负电压避免受到干扰产生误导通;
　　(5)另外要求驱动电路结构简单可靠,损耗小,最好有隔离。
　　本文介绍并讨论分析一下作者在研制开关电源中使用的几种结构简单可行的MOSFET管驱动电路。
　　几种MOSFET驱动电路介绍及分析
　　不隔离的互补驱动电路
　　图1(a)为常用的小功率驱动电路,简单可靠成本低。适用于不要求隔离的小功率开关设备。图1(b)所示驱动电路开关速度很快,驱动能力强,为防止俩个MOSFET管直通,通常串接一个0.5～1&O小电阻用于限流,该电路适用于不要求隔离的中功率开关设备。这两种电路结构特简单。
　　功率MOSFET属于电压型控制器件,只要栅极和源极之间施加的电压超过其阈值电压就会导通。由于MOSFET存在结电容,关断时其漏源两端电压的突然上升将会通过结电容在栅源两端产生干扰电压。常用的互补驱动电路的关断回路阻抗小,关断速度较快,但它不能提供负压,故其抗干扰性较差。为了提高电路的抗干扰性,可在此种驱动电路的基础上增加一级由V1、V2、R组成的电路,产生一个负压,电路原理图如图2(a)所示。
　　当V1导通时,V2关断,两个MOSFET中的上管的栅、源极放电,下管的栅、源极充电,即上管关断、下管导通,则被驱动的功率管关断;反之V1关断时,V2导通,上管导通,下管关断,使驱动的管子导通。因为上下两个管子的栅、源极通过不同的回路弃、放电,包含有V2的回路由于V2会不断退出饱和直至关断,所以对于S1而言导通比关断要慢,对于S2而言导通比关断要快,所以两管发热程度也不完全一样,S1比S2发热要严重。
　　该驱动电路的缺点是需要双电源,且由于R的取值不能过大,否则会使V1深度饱和,影响关断速度,所以R上会有一定的损耗。
　　还有一种与其相类似的电路如图2(b)所示,改进之处在于它只需要单电源。其产生的负压由5.2V的稳压管提供。同时PNP管换成NPN管。在该电路中的两个MOSFET中,上管的发热情况要比下管较轻,其工作原理同上面分析的驱动电路,故不再赘述。
　　隔离的驱动电路
　　(1)正激式驱动电路
　　电路原理图如图3(a)所示,N3为去磁绕组,S2为所驱动的功率管。R2为防止功率管栅极、源极端电压振荡的一个阻尼电阻。因变压器漏感较小,且从速度方面考虑,一般R2较小,故在分析中忽略不计。其工作波形分为两种情况,一种为去磁绕组导通的情况,见图4(a);一种为去磁绕组不导通的情况,见图4(b)。
　　等值电路图如图3(b)所示,脉冲变压器的副边并联&电阻R1,它做为正激式变换器的假负载,用于消除关断期间输出电压发生振荡而误导通,见图5。同时它还可作为功率MOSFET关断时的能量泄放回路。该驱动电路的导通速度主要与被驱动的S2栅、 源极等效输入电容的大小、S1的驱动信号的速度以及S1所能提供的电流大小有关。由仿真及分析可知,占空比D越小、R1越大、L越大,磁化电流越小,U1值越小,关断速度越慢。
　　该电路具有以下优点：①电路结构简单可靠,实现了隔离驱动。②只需单电源即可提供导通时正、关断时负压。③占空比固定时,通过合理的参数设计,此驱动电路也具有较快的开关速度。该电路存在的缺点：一是由于隔离变压器副边需要一个假负载防震荡,故该电路损耗较大;二是当占空比变化时关断速度变化加大。脉宽较窄时,由于是贮存的能量减少导致MOSFET栅极的关断速度变慢。表1为不同占空比时关断时间toff(驱动电压从10伏下降到0伏的时间)内变化情况。
　　(2)有隔离变压器的互补驱动电路
　　如图6(a)所示,V1、V2为互补工作,电容C起隔离直流的作用,T1为高频、高磁率的磁环或磁罐。导通时隔离变压器上的电压为(1-D)Ui、关断时为DUi,若主功率管S可靠导通电压为12V,则隔离变压器原副边匝比N1/N2为12/(1-D)/Ui。为保证导通期间GS电压稳定C值可稍取大些。实验波形见图7(a)。该电路具有以下优点：
　　①电路结构较简单可靠,具有电气隔离作用。当脉宽变化时,驱动的关断能力不会随着变化。
　　②该电路只需一个电源,即为单电源工作。隔直电容C的作用可以在关断所驱动的管子时提供一个负压,从而加速了功率管的关断,且有较高的抗干扰能力。
　　表1不同占空比时toff的变化情况
　　但该电路所存在的一个较大缺点是输出电压的幅值会随着占空比的变化而变化。当D较小时,负向电压小, 该电路的抗干扰性变差,且正向电压较高,应该注意使其幅值不超过MOSFET栅极的允许电压。当D大于0.5时驱动电压正向电压小于其负向电压,此时应该注意使其负电压值不超过MOSFET栅极的允许电压。所以该电路比较适用于占空比固定或占空比变化范围不大以及占空比小于0.5的场合。
　　6(b)为占空比大于0.5时适用的驱动电路,其中Z2为稳压二极管,此时副边绕组负电压值较大,Z2的稳压值为所需的负向电压值,超过部分电压降在电容C2上,其实验波形见图7(b)。
　　(3)集成芯片UC构成的驱动电路
　　电路构成图如图8所示。
　　其中UC3724用来产生高频载波信号,载波频率由电容CT和电阻RT决定。一般载波频率小于600kHz,4脚和6脚两端产生高频调制波,经高频小磁环变压器隔离后送到UC3725芯片7、8两脚经UC3725进行解调后得到驱动信号,UC3725内部有一肖特基整流桥同时将7、8脚的高频调制波整流成一直流电压供驱动所需功率。
　　一般来说载波频率越高驱动延时越小,但太高抗干扰性变差;隔离变压器磁化电感越大磁化电流越小,UC3724发热越少,但太大使匝数增多导致寄生参数影响变大,同样会使抗干扰能力降低。故根据实验研究得出：对于开关频率小于100kHz的信号一般取(400～500)kHz载波频率较好,变压器选用较高磁导如5K、7K等高频环形磁芯,其原边磁化电感大小约1毫亨左右为好。 这种驱动电路仅适合于信号频率小于100kHz场合,因信号频率相对载波频率太高的话,相对延时太多,且所需驱动功率增大,UC3724和UC3725芯片发热厉害温升较高,故100kHz以上开关频率仅对较小极电容的MOSFET才可以。对于1kVA左右开关频率小于100kHz场合,它是一种性能良好的驱动电路。该电路具有以下特点：单电源工作,控制信号与驱动实现隔离,结构简单尺寸较小,尤其适用于占空比变化莫测或信号频率也变化的场合。
　　本文介绍的几种MOSFET驱动电路均有以下优点：结构较简单可靠;单电源工作;适用于中小功率开关电源。以上电路均已应用到不同功率的实际开关电源的原理样机中,经过了实验的检验。
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《电路分析基础》课程教学大纲
课程编号：&&&&&&&&&&
学时：72&&&&&&&&&&&&&
& 先修课程：《高等数学》、《线性代数》、《大学物理》
编写人：钟洪声
&一、课程的性质和任务
&本课程是电子信息工程、通信工程等电子类专业的一门重要技术基础课，它是研究电路理论的入门课程，着重讨论线性、非时变、集中参数电路。通过本课程的学习，使学生掌握电路的基本理论和基本分析方法，为学习后续课程准备必要的电路知识。本课程在培养学生严肃认真的科学作风和抽象思维能力、分析计算能力、总结归纳能力等方面起重要作用。
&二、教学内容和计划
课堂理论教学（64学时）
①&&&& 电路的基础知识：（8学时）
绪论、实际电路与电路模型，电流、电压及其参考方向，功率（2学时）。
基尔霍夫定律，电阻元件，独立电压源、独立电流源、受控源（4学时）。
两类约束与电路方程，线性与非线性电阻的概念（2学时）。
②&&&& 电阻电路分析：（18学时）
等效的概念，线性电阻的串联和并联，实际电源两种模型的等效变换（2学时）。
支路电流法，节点分析法，网孔分析法，含受控源电路的分析（6学时）。
线性电路与叠加定理，戴维南定理和诺顿定理，最大功率传输定理（6学时）。
理想变压器的电压电流关系，及阻抗变换性质（2学时）。
替代定理，双口网络（2学时）。
③&&&& 动态电路的时域分析：（12学时）
电容与电感元件，电容的电压电流关系，电感的电压电流关系，电容与电感的储能，一阶电路微分方程的建立（4学时）。
零输入响应，零状态响应，全响应，时间常数，用三要素法求解一阶电路的响应（6学时）。
二阶电路，RLC串联电路的零输入响应（2学时）。
④&&&& 正弦稳态分析：（26学时）
正弦时间函数的相量表示，有效值相量，基尔霍夫定律的相量形式，二端元件电压电流关系的相量形式（6学时）。
阻抗与导纳，正弦稳态电路分析（4学时）。
RLC串联谐振电路分析，谐振角频率，品质因素，通频带，带通滤波特性，正弦稳态电路的功率，平均功率，功率因素，最大功率传输(共轭匹配)，三相电路（10学时）。
耦合电感的电压电流关系，同名端，耦合系数，耦合电感的串联和并联，耦合电感的去耦等效电路，含耦合电感电路的分析（4学时）。
用叠加定理计算非正弦稳态电路的电压电流，非正弦稳态电路的平均功率；功率因数补偿问题（2学时）。
课程设计（2学时，每人选作一题目，自选，课外完成）
课堂习题课（6学时）
电阻电路分析（2学时）
动态电路、一阶电路（2学时）。
正弦稳态电路、去藕电路（2学时）。
三、教学要求
1．教学内容掌握程度要求
理解电路模型，电流、电压及其参考方向，功率。熟悉基尔霍夫定律，电阻元件，独立电压源、独立电流源、受控源。应用等效的概念简化分析电路。熟练掌握节点分析法，网孔分析法，及其含受控源电路的分析。
掌握叠加定理，戴维南定理和诺顿定理，最大功率传输定理的分析方法。熟悉理想变压器，了解替代定理，双口网络。
熟悉电容与电感元件，并应用微分方程分析电路。掌握一阶电路、二阶电路，特别是应用三要素法分析一阶电路。
理解正弦函数，及其相量表示，基尔霍夫定律相量形式。熟悉阻抗与导纳，正弦稳态电路分析。掌握正弦稳态分析法。理解RLC串联谐振电路，谐振角频率，品质因素，通频带，带通滤波特性，正弦稳态电路的功率，平均功率，功率因素，最大功率传输(共轭匹配)，三相电路（10学时）。熟悉耦合电感，及含耦合电感电路的分析。
了解非正弦稳态电路的分析，非正弦稳态电路的平均功率，功率因数补偿问题。
2．考核形式
①按时完成平时作业（占总成绩10%）（教师评定）
优秀率（10分）：≤ 学生人数20%
良好率（8~9分）：≤ 学生人数60%
其它（0~7分）：≥ 学生人数20%
②完成课程设计（占总成绩10%，课外独立完成）（教师评定）
优秀率（10分）：≤ 学生人数20%
良好率（8~9分）：≤ 学生人数60%
其它（0~7分）：≥ 学生人数20%
③中期考试（占总成绩的20%）（教师评定）
填空题（5分）：10个
计算题（15分）：5个
④期末考试（占总成绩的60%）（统一阅卷）
填空题（10分）：10个
计算题（50分）：5个
四、教材和参考资料
1.&&&&& 教材
《电路分析》，胡翔骏，高等教育出版社，2001年5月。
2.&&&&& 参考资料
&& ①Engineering Circuit Analysis， William H. Hayt, Jr.
，Jack E. Kemmerly ，Steven
M.Durbin& (英文原版)& 电子工业出版社，2002年6月引进。
②Fundamentals
of Electric Circuits， Charles K.Alexander ， Matthew N.O.Sadiku，(英文原版)& 清华大学出版社，2000年12月引进。
③《电路分析基础》，李翰荪，高等教育出版社，(第三版)。豆丁微信公众号
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北京邮电大学电路分析基础课件，负载在什么条件下可从电源获得最大功率？最大功率是多少？由含源线性单口网络传递给可变负载
的功率为最大的条件是， 特勒根定理(Tellegen’s Theorem)
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电路分析基础最大功率传输定理
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B101-《工程力学[理论+材料]》_哈工大学_72讲
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&课程信息&
课程价格：28.00元
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直播倒计时：09小时52分15秒
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K-42最大功率传输例题
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第1章K8132_《电路分析》_首都师范大学_共149讲
K-1电路的组成与模型
K-2电路变量之电流
K-3电路变量之电位与电压
K-4电路变量之电功率与电能量
K-5基尔霍夫电流定律KCL
K-6基尔霍夫电压定律KVL
K-7电阻元件
K-8独立电压源
K-9独立电流源
K-10受控源
K-11简单电路分析
K-1等效及等效化简
K-2串联电阻电路的等效化简
K-3并联电阻电路的等效化简
K-4混联电阻电路的等效化简
K-5星形和三角形电阻网络的相互等效
K-6星形和三角形电阻网络等效的应用
K-7含理想电压源的二端网络的等效
K-8含理想电流源的二端网络的等效
K-9有伴电源的相互等效
K-10含受控源的二端网络的等效
K-11含受控源的二端网络等效的应用-1
K-12含受控源的二端网络等效的应用-2
K-1图的基本概念
K-2独立方程数
K-3支路电流法
K-4支路电流法例题
K-5网孔电流法
K-6网孔电流法举例说明
K-7网孔电流法例题
K-8结点电压法
K-9结点电压法举例说明1
K-10结点电压法举例说明2
K-11含无伴电压源的结点电压法
K-12含受控电流源的结点电压法
K-13结点电压法例题
K-14综合应用1
K-15综合应用2
K-16综合应用3
K-17综合应用4
K-18综合应用5
K-19综合应用6
K-20电阻电路一般分析方法总结
K-1叠加定理
K-2-叠加定理例题1
K-3叠加定理例题2
K-4含有受控源时叠加定理的使用
K-5叠加定理例题3
K-6叠加定理例题4
K-7叠加定理例题5
K-8叠加定理例题6
K-9齐性定理
K-10齐性定理l例题1
K-11齐性定理l例题2
K-12替代定理
K-13替代定理例题
K-14戴维宁和诺顿定理-基本概念
K-15戴维宁和诺顿等效电路
K-16戴维宁定理的证明
K-17应用戴维宁定理的步骤
K-18戴维宁定理例题1
K-19戴维宁定理例题2
K-20诺顿定理例题1
K-21戴维宁定理和诺顿定理例题
K_戴维南定理和诺顿定理-2
K_戴维南定理和诺顿定理-3；最大功率传输定理
K_电路模型与基本定律复习与习题
K_电阻电路的等效变换复习与习题
K_电阻电路的一般分析方法复习与习题
K_常用的电路定理复习与习题
K_电容元件-1-线性电容
K_电容元件-1-实际电容模型
K_电容元件-2；电感元件-1
K_电感元件-2
K_动态电路
K_换路定则及初始状态的确定-1
K_换路定则及初始状态的确定-2；RC电路的零输入响
K_RC电路的零状态响应-2，RL电路的零输入响应
K_一阶电路的零状态响应；一阶电路的全响应-1
K_一阶电路的全响应-2
K_储能元件复习与习题
K_动态电路的时域分析复习与习题
K-1正弦稳态分析概述
K-2复数的表示形式
K-3复数的运算
K-4旋转因子
K-5复数的运算举例
K-6正弦量的三要素
K-7正弦量的有效值
K-8正弦量例题
K-9正弦量相量表示
K-10相量的性质
K-11基尔霍夫定律的相量形式
K-12基尔霍夫定律相量形式的应用
K-13电阻元件的相量模型
K-14电阻元件阻抗特性的仿真
K-15电感元件的相量模型
K-16电感阻抗特性的仿真
K-17电容元件的相量模型
K-18电容阻抗特性的仿真
K-19RLC元件阻抗特性总结
K-20复数阻抗
K-21阻抗的串联及分压
K-22阻抗应用例题
K-23复数导纳
K-24导纳的并联与分流
K-25阻抗导纳例题1
K-26阻抗导纳例题2
K-27阻抗导纳例题3
K-28正弦稳态电路相量分析法
K-29正弦稳态电路的相量分析举例1
K-30正弦稳态电路的相量分析举例2
K-31正弦稳态电路的相量分析举例3
K-32正弦稳态电路的相量分析举例4
K-33瞬时功率
K-34有功功率和功率因数
K-35无功功率
K-36视在功率和复功率
K-37正弦稳态电路功率例题1
K-38正弦稳态电路功率例题2
K-39正弦稳态电路功率例题3
K-40最大功率传输之共轭匹配
K-41最大功率传输之模匹配
K-42最大功率传输例题
K-43谐振的概念及条件
K-44频率特性
K-45电压谐振
K-46品质因数
K-47RLC并联谐振
K-48谐振例题1
K-49谐振例题2
K-1自感与互感
K-3耦合系数
K-4耦合电感元件的相量模型
K-5顺接串联的去耦等效
K-6反接串联的去耦等效
K-7顺接并联的去耦等效
K-8反接并联的去耦等效
K-9同名端相连Y形连接的去耦等效
K-10异名端相连Y形连接的去耦等效
K-11去耦等效例题1
K-12去耦等效例题2
K-13理想变压器
K-14理想变压器例题
K_正弦稳态电路习题课-1-相量法
K_正弦稳态电路习题课-2-正弦稳态电路的分析
K_正弦稳态电路习题课-3-含有耦合电感的正弦稳态电
K_正弦稳态电路习题课-4-电路的频率响应
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