具有高頻高速功能的場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路

謝鴻齡 牛林 劉祥明

（紅河學(xué)院，云南 蒙自 661100）

具有高頻高速功能的場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路

謝鴻齡 牛林 劉祥明

（紅河學(xué)院，云南 蒙自 661100）

高頻環(huán)境下，驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管時(shí)，隔離變壓器會(huì)受分布參數(shù)的影響，放大時(shí)三極管容易飽和，影響場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)速度。本設(shè)計(jì)采用雙線并繞的方法制作導(dǎo)線和變壓器，可以使影響場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)的分布電感、趨膚效應(yīng)等分布參數(shù)減到最小，大幅提升信號(hào)傳輸?shù)乃俾是倚盘?hào)失真度低。

場(chǎng)效應(yīng)管；驅(qū)動(dòng)電路；高頻；高速；抗飽和

1 背景分析

在現(xiàn)有技術(shù)中，超高頻的環(huán)境下，驅(qū)動(dòng)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(yīng)及各種分布參數(shù)的影響，變壓器的輸出和原始輸入的脈沖之間會(huì)存在很大的信號(hào)延遲和畸變，因此，傳統(tǒng)的變壓器不能達(dá)到驅(qū)動(dòng)和隔離的要求。此外，場(chǎng)效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)電路在使用三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大時(shí)，常常會(huì)因?yàn)槿龢O管的飽和問(wèn)題無(wú)法讓場(chǎng)效應(yīng)管做到快速開通和關(guān)斷，因此，探索具有較快開關(guān)速度的高頻高速的場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路成為了新開發(fā)產(chǎn)品中的一個(gè)必須解決的問(wèn)題［1］。

2 超高頻信號(hào)的隔離

本文所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路的隔離為變壓器隔離，但當(dāng)傳輸功率400W、傳輸頻率200kHz左右就達(dá)到了脈沖變壓器的極限［1］，這樣的技術(shù)指標(biāo)在高頻環(huán)境下是不能滿足要求的，市場(chǎng)上的脈沖功率傳輸變壓器，其傳輸功率的上限已達(dá)到上千瓦、傳輸頻率的上限也達(dá)到3MHz以上。通過(guò)分析可知，高頻脈沖功率傳輸變壓器在保持輸出信號(hào)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(shí)工作頻率自然降低，傳輸功率降低時(shí)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(yīng)及各種分布參數(shù)的共同影響，解決的辦法是全面改進(jìn)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(dǎo)線的匝數(shù)，全部繞組均采用線徑0.03～0.08mm的高強(qiáng)度漆包線繞制，傳輸頻率越高，所用導(dǎo)線的直徑越??；全部繞組均以分段方式繞制在磁芯的骨架上［2］。

通過(guò)分析可知，采用細(xì)漆包線均勻絞合后同時(shí)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(yīng)，繞組線徑越小，分段數(shù)越多，分布電容和趨膚效應(yīng)的影響越小。實(shí)測(cè)表明，用本方法繞制的脈沖功率傳輸變壓器在高頻環(huán)境下能做到較好的隔離驅(qū)動(dòng)信號(hào)且信號(hào)延時(shí)很小，保證了傳輸速度［2］。

4 影響三極管開關(guān)速度的因素

本文所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)放大由三極管完成，雖然三極管的特征頻率已經(jīng)達(dá)到上百兆赫茲，但高頻環(huán)境下導(dǎo)通時(shí)，由于電路導(dǎo)線的分布參數(shù)及外電路的時(shí)間常數(shù)的影響，三極管內(nèi)部載流子的累積較慢，三極管的電流從導(dǎo)通后到增加到工作電流需要一段時(shí)間［3］；三極管處于放大狀態(tài)，基極電流增大時(shí)，集電極電流亦將增大，集電極電位將下降，當(dāng)集電極電位下降到0.7V以下時(shí)，集電結(jié)將從反向偏置變?yōu)檎蚱?，從放大狀態(tài)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)。此時(shí)，基極電流將失去對(duì)集電極電流的控制作用；載流子將在三個(gè)導(dǎo)電區(qū)不斷累積，此時(shí)不能快速關(guān)斷，因?yàn)槿龢O管三個(gè)導(dǎo)電區(qū)累積的大量載流子只能通過(guò)復(fù)合來(lái)減少，而復(fù)合過(guò)程也是時(shí)間較長(zhǎng)的過(guò)程，關(guān)斷時(shí)間也會(huì)變得較長(zhǎng)。

所以，三極管的開通受分布參數(shù)及載流子累積速度的影響，無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速；而關(guān)斷時(shí)受到三極管飽和狀態(tài)的影響，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速［3］。可見(jiàn)，三極管的開關(guān)時(shí)間要提升一個(gè)量級(jí)是比較困難的。

5 貝克抗飽和電路

通過(guò)分析三極管的開關(guān)過(guò)程可知，驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管要實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)，關(guān)鍵在于如何讓三極管不進(jìn)入飽和狀態(tài)而持續(xù)工作在放大狀態(tài)。本文所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路采用貝克抗飽和電路解決三極管極易飽和的問(wèn)題［3，4］。如圖1所示，貝克抗飽和電路采用三個(gè)導(dǎo)通壓降均為0.7V的肖特基二極管組成；當(dāng)晶體管V1的基極與發(fā)射極之間接入驅(qū)動(dòng)信號(hào)且信號(hào)電壓幅值達(dá)到0.7V時(shí)［3，4］，則晶體管V1導(dǎo)通，二極管VD1的陽(yáng)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(dǎo)通且其管壓降為1.4V，三極管V1就不會(huì)進(jìn)入飽和狀態(tài)，而會(huì)一直工作在放大狀態(tài)。而當(dāng)三極管V1管壓降即V1集電極電位升高時(shí)，二極管VD3的陽(yáng)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(gòu)成了電壓并聯(lián)負(fù)反饋，使三極管的開通壓降永遠(yuǎn)被箝位在1.4V左右，工作狀態(tài)一直是放大狀態(tài)，不會(huì)進(jìn)入飽和狀態(tài)，從而達(dá)到極大地提升場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)速度的目的［3，4］。

6 具有高頻高速功能的場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路

圖1為具有高頻高速功能的場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)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(gòu)成了電壓并聯(lián)負(fù)反饋，使三極管的開通壓降永遠(yuǎn)被箝位在1.4V左右，工作狀態(tài)一直是放大狀態(tài)，不會(huì)進(jìn)入飽和狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)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(qiáng)度漆包線繞制，并且雙線并繞。這就使導(dǎo)線的分布電感、高頻趨膚效應(yīng)及各種分布參數(shù)減到最?。?，2］，場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)速度就可以達(dá)到很高的速度。

圖1 具有高頻高速功能的場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路

7 結(jié)論

具有高頻高速功能的場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路，三極管導(dǎo)通后一直工作在放大狀態(tài)，極大地提升了場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)速度；采用雙線并繞的方法制作導(dǎo)線和變壓器［1，2］，可以使導(dǎo)線的分布電感、導(dǎo)線的高頻趨膚效應(yīng)及各種分布參數(shù)減到最小，從而大幅提升其信號(hào)傳輸?shù)乃俾是倚盘?hào)失真度低；驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管開通和關(guān)斷的時(shí)間均是40ns以內(nèi)，開關(guān)速度比普通驅(qū)動(dòng)電路提升了約兩個(gè)數(shù)量級(jí)；但受制于電路連接、分布參數(shù)的影響，不一定能達(dá)到理論開關(guān)時(shí)間。本文所設(shè)計(jì)具有高頻高速功能的場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路已經(jīng)獲得實(shí)用新型專利權(quán)，證明設(shè)計(jì)的可行性，為具有高頻高速功能的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)提供了一種設(shè)計(jì)方法。

［1］謝鴻齡，劉祥明，張英爭(zhēng)，等.一種高頻高速場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路：中國(guó)，ZL201621419279.8［P］.2017-06-13.

［2］謝鴻齡，盧誠(chéng)，張英爭(zhēng)，等.一種超高頻脈沖功率傳輸變壓器：中國(guó)，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(guó)，CN105703746A［P］.2016-06-22.

［4］陳學(xué)鋒.淺談晶體三極管開關(guān)速度的提高［J］.河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，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(guó)家自然科學(xué)基金“有色冶金過(guò)程系統(tǒng)的不確定動(dòng)態(tài)優(yōu)化算法”（61463013）；云南省科技廳青年項(xiàng)目“風(fēng)光儲(chǔ)多能互補(bǔ)的微電網(wǎng)運(yùn)行及能量?jī)?yōu)化研究”（2015FD049）。

謝鴻齡（1988-），男，碩士，助教，研究方向：微電網(wǎng)運(yùn)行、電子變流；牛林（1963-），女，教授，碩士，研究方向：過(guò)程控制；劉祥明（1979-），男，講師，博士，研究方向：智能機(jī)器人。