互补MOSFET的脉冲变压器隔离驱动电路设计

测试任务： 嵌入式客户端将 １０ 个 １００ＭＢ 的数据 发送给服务器， 服务器再将数据发送回来； 客户端的 ＴＣＰ／ＩＰ 基于该缓冲区管理策略实现， 服务器平台的配 置是：
Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｗｉｎｄｏｗｓ ２０００ ／ Ｉｎｔｅｌ Ｐｅｎｔｉｕｍ ＩＩＩ ８００ＭＨｚ ／ ＲｅａｌＴｅｋ ８１３９ １００Ｍｂｐｓ／ ２５６ＭＢ ＲＡＭ；
创
引言
新 随着电力半导体器件的发展， 已经出现了各种各 样的全控型器件， 最常用的有适用于大功率场合的大 功 率 晶 体 管 （ＧＴＲ）、适 用 于 中 小 功 率 场 合 但 快 速 性 较 好
功 率 ＭＯＳＦＥＴ 的 栅 极 输 入 端 相 当 于 一 个 容 性 网 络， 它的工作速度与驱动源内阻抗有关。理想的栅极 驱动电路的等效电路如图所示， 由于 Ｃｉｓｓ 的存在， 静态 时栅极驱动电流几乎为零， 但在开通和关断动态过程 中， 仍需要一定的驱动电流。
金一鸣：硕士研究生
够快的上升和下降速度； ②开通时以低电阻为栅极电 容充电， 关断时为栅极提供低电阻放电回路， 以提高 功率 ＭＯＳＦＥＴ 的开关速度；③为了使功率 ＭＯＳＦＥＴ 可 靠触发导通， 触发脉冲电压应高于管子的开启电压， 为了防止误导通， 在其截止时应提供足够负的反向栅 源电压； ④功率开关管开关时所需驱动电流为栅极电 容的充放电电流， 功率管极间电容越大， 所需电流越 大， 即带负载能力越大。
功率 ＭＯＳＦＥＴ 是电压型驱动器件， 没有少数载流 子的存贮效应， 输入阻抗高， 因而开关速度可以很高， 驱动功率小， 电路简单。但功率 ＭＯＳＦＥＴ 的极间电容 较大， 其等效电路如图 １ 所示， 输入电容 Ｃｉｓｓ， 输出电容 Ｃｏｓｓ 和反馈电容 Ｃｒｓｓ 与极间电容的关系可表示为：
Ｃｉｓｓ＝Ｃｇｓ＋Ｃｇｄ Ｃｏｓｓ＝Ｃｄｓ＋Ｃｇｄ Ｃｒｓｓ＝Ｃｇｄ
网络是双绞线 １００Ｍ 交换以太网； 实验平台是： 网 络 启 动 ＭＳ － ＤＯＳ ６．２２ ／ Ｉｎｔｅｌ Ｐｅｎｔｉｕｍ ＩＩＩ ８００ＭＨｚ ／ ＲｅａｌＴｅｋ ８１３９ １００Ｍｂｐｓ； 对比平台是： 本地硬盘启动 ＭＳ－ ＤＯＳ ６．２２ ／Ｐａｔｈｗｏｒｋ ＴＣＰ／ＩＰ ｆｏｒ ＤＯＳ ／ Ｉｎｔｅｌ Ｐｅｎｔｉｕｍ ＩＩＩ ８００ＭＨｚ ／ ＲｅａｌＴｅｋ ８１３９ １００Ｍｂｐｓ／；
［６］Ｗ．Ｒｉｃｈａｒｄ Ｓｔｅｖｅｎｓ．ＴＣＰ／ＩＰ Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ Ｖｏｌ １：Ｔｈｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ， １９９５
［７］ＲＥＡＬＴＥＫ． ＲｅａｌＴｅｋ ８１００ Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ Ｇｕｉｄｅ， Ｒｅｖ １．０， ２００１
［８］Ｇａｌａｃｔｉｃ．超级刀片计算机．
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇａｌａｃｔｉｃ．ｃｏｍ．ｈｋ／ｐｒｏｄｕｃｔ＿ｓｕｐｅｒｂｌａｎｄｅ＿ｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ
［４］Ｈ．Ｋ． Ｊｅｒｒｙ Ｃｈｕ． Ｚｅｒｏ － Ｃｏｐｙ ＴＣＰ ｉｎ Ｓｏｌａｒｉｓ， １９９６， ＵＳＥＮＩＸ
１９９６ Ａｎｎｕａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ
［５］Ｐｈｉｌ Ｋａｒｎ ．ＫＡ９Ｑ ＴＣＰ／ＩＰ Ｓｏｕｒｃｅ Ｃｏｄｅ， １９９３
［９］ 黄志强等． 嵌入式家庭远程监控系统设计． 微计算机信息，
２００５，３ ，９１—９２．
作 者 简 介 ： 邓 会 敏（１９７６－ ）， 女 ， 硕 士 生 ， 研 究 方 向 为 计
算机网络 技术， 嵌入式 系统， 数据库 技术。Ｅ－ Ｍａｉｌ：
ｄｈｍｌｑｗ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ ； 贺 再 红 （ １９７２－ ） ， 女 ， 硕 士 生 ，
图 ４ 互补 ＭＯＳＦＥＴ 的脉冲隔离驱动电路 驱动电路如图所示， 以正向电路为例， 频率为
５０ｋＨｚ 脉冲信号， 通过高频脉冲变压器耦合去驱动功 率 ＭＯＳＦＥＴ 管， 次级 脉冲电压为正 时， ＭＯＳＦＥＴ 导通， 在此期间 Ｑ３ 截止， 由其构成的泄放电路不工作。当次
技 级脉冲电压为零时， 则 Ｑ３ 导通， 快速泄放 ＭＯＳＦＥＴ 栅 术 极电荷， 加速 ＭＯＳＦＥＴ 的截止。Ｒ７ 是用于抑制驱动脉
ｔｏ ｄｒｉｖｅ ＭＯＳＦＥＴ， ｏｐｔｏｃｏｕｐｌｅｒ ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ－ ｉｓｏｌａｔｅｄ ｄｅｖｉｃｅ． Ｈｏｗｅｖｅｒ， ｔｈｅ ｆｏｒｍｅｒ ｎｅｅｄｓ ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ａｎｄ ｒｅ－
ｓｐｏｎｓｅ ｓｌｏｗｌｙ， ｓｏ ｗｅ ｔａｋｅ ｐｕｌｓｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｉｎｓｔｅａｄ． Ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｓｏｍｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｔｏ ｂｅ ｓｏｌｖｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｔｔｅｒ， ｓｕｃｈ ａｓ
２ 几种常见实用驱动电路的比较
１．直接驱动电路
－ ９４ － ３６０元 ／ 年 邮局订阅号： ８２－９４６
《现场总线技术应用 ２００ 例》
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比较简单又比较可靠的驱动方式是使用集电极 开路的 ＴＴＬ 按图 ２ 所示与功率 ＭＯＳＦＥＴ 连接。这种方 式可以产生足够高的栅压使器件充分导通， 并保证较 高的关断速度。由于外接负载电阻 ＲＬ 须有一定大小， 以限制 ＴＴＬ 的低电平输出晶体管的功率耗散， 因而这 种驱动方式的开通速度不够高。
电子设计
图 ２ 用 ＴＴＬ 驱动功率场效应管的电路图
２．隔离驱动电路 通常隔离驱动电路按隔离方式基本上可分为光 耦 隔 离 驱 动 电 路 和 脉 冲 变 压 器 隔 离 驱 动 电 路 两 类 。由 于光耦本身特性的限制， 其工作频率最高只有 ４０ｋ Ｈｚ 左右， 在高频场合的应用受到限制。隔离驱动电路的 缺点是需要增加辅助电源， 有的还要正负极性的电 源， 这就使得电路复杂， 成本增加。图 ３ａ 所示的驱动电 路， 虽然电路简单， 不需辅助电源， 但是由于变压器的 工作特点， 驱动信号占空比很大时会导致加在 ＭＯＳ－ ＦＥＴ 栅极的负向脉冲幅值很大， 容易损坏管子。而占 空比很小时栅极的负向电压很低， 而且只能维持很短 的时间， 不能保证可靠关断。栅射之间并联的稳压管 能限制电压， 但是将会对信号的边沿产生影响。图 ３ｂ 所示电路虽然能够提供可靠的关断负压， 但是仍然存 在驱动信号边沿不陡的问题， 限制了驱动频率。
ｔｈｅ ｒｅｌｅａｓｅ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｄｕｃｔｏｒ， ｔｈｅ ｉｄｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｖｅｆｏｒｍ， ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｕｔｙ， ｅｔｃ． Ｔｈｉｓ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ
技 ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ－ ｉｓｏｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｄｒｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ＭＯＳＦＥＴ ｉｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ＯｒＣＡＤ ｓｏｆｔｗａｒｅ， ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ
《Ｐ ＬＣ 技术应用 ２００ 例》
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嵌入式系统应用
的地方， 以防止新的数据覆盖原来的数据。但是对于 一些报文， 如果处理速度很快， 就可以不拷贝而直接 在网络接口层缓冲区中处理：
ＡＲＰ 报文： 由于 ＡＲＰ 报文 短小， 而且处 理速度很 快， ＢＩＰ 对 ＡＲＰ 报文的处理是 ０ 拷贝的；
４ 仿真波形结果
图 ３ 典型的变压器隔离驱动电路
３ 互补 ＭＯＳＦＥＴ 的隔离驱动电路设计
工作原理
图 ５ 仿真波形结果
本文作者创新点： 针对目前对 ＭＯＳＦＥＴ 应用日益 广泛， 在一些特殊场合常常会用到互补 ＭＯＳＦＥＴ 而各 类文献中较少涉及互补 ＭＯＳＦＥＴ 的驱动问题， 提出了 对互补 ＭＯＳＦＥＴ 的驱动电路设计， 并通过仿真对结果 进行了验证。 （下转第 １６９ 页）
的功率场效应晶体管（ＭＯＳＦＥＴ）以及 结合 ＧＴＲ 和功率
ＭＯＳＦＥＴ 而 产 生 的 功 率 绝 缘 栅 控 双 极 晶 体 管（ＩＧＢＴ）。
在这些开关器件中， 功率 ＭＯＳＦＥＴ 由于开关速度快，驱
动功率小， 易并联等优点成为开关电源中最常用的器
件， 尤其在为计算机、交换机、网络服务器等通信电子
设备提供能量的低压大电流开关电源中。随着 ＭＯＳ－
ＦＥＴ 的应用日益广泛， 在一些特殊场合常常要使用到
互补的 ＭＯＳＦＥＴ， 本文针对这个问题提出了一种针对
互补 ＭＯＳＦＥＴ 电路设计的驱动电路。
１ 功率 ＭＯＳＦＥＴ 对驱 动电路的 要求
图 １ 极间电容等效电路
ＭＯＳＦＥＴ 对驱动电路通常要求： 触发脉冲具有足
非 ＩＰ 报文： 协议栈直接检查网络接口层缓冲区中 的帧类型， 如果不是 ＩＰ 族报文， 就马上丢弃。
３ 应用性能测试
我 们 将 实 现 源 代 码 移 植 到 Ｘ８６ 嵌 入 式 裸 机 平 台 的 ６４Ｋ ＰＣＩ 扩展 ＲＯＭ 中， 并基于该缓冲区管理 策略 设计了 ＴＣＰ／ＩＰ 协议栈， 并做了一系列可靠性和性能测试。
（ 上海大学） 金一鸣 张 齐
Ｊ ｉｎ ，Ｙｉｍｉｎｇ Ｚｈａｎｇ ，Ｑｉ
摘要：随 着 ＭＯＳＦＥＴ 的 应 用 日 益 广 泛 ， 在 一 些 特 殊 场 合 常 常 会 使 用 到 互 补 ＭＯＳＦＥＴ。 本 文 针 对 互 补 ＭＯＳＦＥＴ 的 驱 动 问 题 进 行
了 深 入 讨 论 ， 比 较 了 常 用 的 驱 动 电 路 ， 提 出 了 一 种 针 对 互 补 ＭＯＳＦＥＴ 设 计 的 新 型 驱 动 电 路 ， 并 通 过 仿 真 验 证 了 结 果 。
表１
ｓｕｐｐｏｒｔ， ２０００ ＵＳＥＮＩＸ Ａｎｎｕａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ
［３］Ａｍｉｔ Ｃｏｈｅｎ ａｎｄ Ｒｅｕｖｅｎ Ｃｏｈｅｎ，
Ａ ｄｙｎａｍｉｃ ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ