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内燃机测试技术试验 实验 低端功率开关驱动电路仿真试验 实验学时：2 实验类型：基础型 实验对象：本科生 一．实验目的： 了解低端功率开关驱动电路的工作原理和应用。 了解低端功率开关钳位方式的实现原理和特点。 掌握低端功率开关驱动电路关键元器件的选择。 二．实验原理及设备说明 1.低端功率开关驱动电路的工作原理 低端功率开关驱动的原理非常简单，就是负载一端直接和电源正端相连，另外一端直接和开关管相连，正常情况下，没有控制信号的时候，开关管不导通，负载中没有电流流过，即负载处于断电状态；反之，如果控制信号有效的时候，打开开关管，于是电流从电源正端经过负载，然后经过功率开关流出，负载进入通电状态，从而产生响应的动作。基本的驱动原理图如图1所示。 图1 低端驱动原理图 一般现在采用的开关功率管为N型MOSFET，N型MOSFET的优点是驱动采用电压驱动，驱动电流很小，驱动功耗低，而且工作频率可以很高，适用用高速控制，另外MOSFET的导通内阻很低，在mΩ级别，可以通过的稳定电流很大，因此适用于高功率的驱动。P型的MOSFET相对于同样的硅片面积，导通内阻较大，故N型适用较多。 由于低端功率驱动电路中采用的MOSFET一般为N型，而N型MOSFET的驱动要求必须满足GS端之间的电压差为10V以上，从上面的途中可以看出，由于S端固定为地，因此控制端信号VG只要是0-10V的驱动脉冲即可，因此低端驱动电路的一个最大优点就是驱动电路简单；但是我们必须要看到低端驱动的一个缺点，那就是负载带电，因为负载始终一端是和电源相接的，如果绝缘和使用不当的话，负载容易短路，这是低端驱动的根本缺点。 2.低端功率开关钳位方式的实现原理和特点。 低端功率开关驱动电路可以驱动各种负载，由于负载的不同类型，必须对功率开关电路进行保护，防止开关电路失效。从上面的图1可以明显看出，如果负载是电阻类型的，开关电路不需要保护电路，开关电路基本没有失效的可能。如果电路负载是电容型式的话，开关电路也不需要保护电路。但是如果我们使用的是电感负载的话，也就是说负载呈感性的话，问题就不一样了，而实际中我们使用的负载中感性的非常多，如各种电机，电磁阀，泵，继电器和其他的执行器等等，这就需要我们仔细考虑低端功率开关的保护电路了。因为，按照感性负载的原理，由于线圈电感的感应作用，感性负载中的电流不能突变，这样开关打开的时候，电路是没有问题的，感性负载的电流逐渐增加，但是在开关管关断的那一时刻，由于电流不能突变，显然如果没有保护措施，或者限制措施的话，低端功率开关的D端将产生极大的感应电压，这个电压超过低端功率开关的击穿电压的话，就会导致功率开关的雪崩击穿，从而引起开关电路的失效。 一般低端开关功率管都有一个参数为反向击穿电压，此电压值是DS之间能承受的最大电压。为了防止上面没有保护情况下的击穿，必须对电路加保护措施，其实我们在电机驱动方式中，采用的电机并联反向二极管即是一种。但我们必须要知道的是，电机的这种方式，泄流速度慢，系统响应时间长，不适用于高速的执行器，如开关阀等。因此，从最大反向击穿电压值考虑，可以有钳位的实现方案，基本的实现方案有如下两种，如图2的a和b。其中a为主动钳位，采用比功率开关管反向击穿电压低的稳压管和开关管并联，开关关断的时刻，稳压管首先击穿进行泄流，从而保护功率开关管，这种情况下，泄流电流全部经过稳压管，稳压管容易发热。b为另外一种钳位方式，在该方式下，反向二极管和一个普通二极管串联后连接在DG之间，这种方式分析起来稍微要复杂一些。在开关管关断的时刻，反向二极管击穿，然后反向电流通过接在G端的电阻R进行一部分的泄流。由于该电流的作用，G端电压上升，因此在一定的电压条件下，VGS超过功率开关管的打开门限电压，此时功率开关一定程度的导通，或者说进入线性工作区域，此时开关管相当于一个可变电阻，其中流过一定的泄流电流。由于一般的稳压管稳压时的电流比较小，因此大部分的泄流电流仍然通过功率开关管进行泄流。 该种泄流方式能合理的利用开关管的部分导通实现负载的电流泄流，同时由于二极管的稳压作用，该稳压值一般不超过功率开关管的反向击穿电压值，因此此种方式可以认为是在二极管稳压条件下，负载的可控泄流。二极管的泄流电流可以很小，而大部分的电流通过功率管，因此此种方式下，功率开关管是比较容易发热的，在设计电路的时候必须考虑散热条件和温升。另外就是，二极管的稳压值选择，必须兼顾稳压效果和其中能通过的最大电流。 图2 低端功率开关的钳位方式 a，反向并联钳位；b，控制钳位 3. 低端功率开关驱动电路关键元器件的选择 从图2的驱动原理图中，可以知道控制钳位方式是比较理想的泄流方式。而该条件下的关键器件选择和计算考虑因素就要多一些。首先根据负载的最大电流限制功率开关管