内燃机测试技术试验实验高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：1. 了解高端功率开关驱动电路的工作原理和应用。2. 了解高端N型功率开关驱动方式的实现原理和特点。3. 掌握高端N型功率开关驱动电路关键元器件选择和电路保护。二实验原理及设备说明1. 高端功率开关驱动电路的工作原理高端功率开关驱动的原理非常简单，和低端功率开关驱动相对应，就是负载 一端和开关管相连，另外一端直接接地。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高端的开关管，然后经过负 载流出，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。电源控制信号d_ I 2_汗关伯1 s负载图1高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，适用于高速控制，另外MOSFET的导通内阻很低，在毫欧级别，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，开关速度也比较慢，故N型MOSFET使用较多。由于高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，从上面的图中可以看出， 由于S端不再固定为地电平，因此控制端信号VGS不能简单的通过0-10V的驱 动脉冲实现，因此高端驱动电路的一个最大难点就是怎么实现VGS电压的稳定， 特别是在S端电压浮动的情况下，但必须明确的是高端开关电路的最大优点是负 载不通电状态下是直接接地的，对操作者的安全性是最好的；而低端开关驱动简 单，但是负载始终带电，这是非常不安全的，特别是在高压的情况下。总的来说， 高端和低端开关电路的选择，必须根据负载的要求、操作者的安全性以及系统实 现的总体成本来综合考虑。2. 高端N型功率开关驱动方式的实现原理和特点。由上面高端功率开关驱动的原理知道，高端N型功率开关最大的难点是实现 VGS保持定值，而且S端电压是浮动的情况下。这里说明两种不同的实现方式， 一种是G端电压跟随S端变化的自举型驱动方式，一种是采用G端恒定电压的 驱动方式，G端电压比电源电压高一定的值，比如10V左右。其中自举型驱动 方式实现的原理图如图2所示。图2自举N型高端驱动电路其工作过程如下：控制信号OUT为高电平时，Qls关断（Qls为N型小信号开关管），由于没有 电流通过，故由NPN和PNP组成的图腾柱驱动输入端为高电平，传到功率开关 管的信号亦为高电平，因此开关管打开。开关管打开以后，由于开关管S端电压 成为Vin电压，而由于CBST电容的存在，由于电容电压不能突变，因此DBST 二极管端电压上升，然后输出信号仍然能保证VGS端电压为一定的压差，这也 是自举驱动工作的根本原理。控制信号OUT为低电平时，Qls打开（Qls为N型小信号开关管），于是有电 流从分压电阻中流过，故图腾柱底端的PNP晶体管导通，G端开始放电，然后 导致VGS间电压减小，直到开关管关闭。上图的负载是一个线圈电感，其实在 开关管关断后，由于电感电流的续流作用，续流二极管承担了电流的回路。这样 保证VGS电压值不会出现导致开关管重新导通的现象。自举驱动方式的优点是思路简单，控制信号和电源电压可以不一样，甚至电 源电压最高可以达到600V以上，而控制信号可以在逻辑电平，这在高电压驱动 方面具有很大的优势；但是必须注意的是自举驱动方式一个显著的缺点，那就是 不能实现高位开关的持续打开，因为实际的二极管和电容都有漏电流，VGS电 压会逐步减小，因此自举驱动适合高电压，高频PWM控制，负载可以是DCDC 变换器，电机等。保持G端电压恒定的驱动方式，思路非常简洁，那就是保证产生一个电压， 始终比电源电压高一定的数值，比如10V左右，然后通过开关电路和电平转换 电路实现开关管的打开。这种驱动方式的关键是产生一个比电源电压高的电压， 其实现的思路有升压变换，电容自举等方式，其中升压变化电路复杂，匹配非常 困难，因此一般采用电容自举的思路实现。其基本的实现方式原理如图3所示。图3自举电压产生原理图该电路工作过程如下：VPULSE为脉冲发生器，有一定的频率，实际实现方 式可以采用555或者运放来实现，其输出脉冲一般为0-12V的方波信号。当 VPULSE信号输出为低电平时，电源通过二极管对C2电容充电，而当VPULSE 信号输出信号为高电平时，由于电容电压不能突变，故C2电容上端电压变为 VPULSE加上Vbat，此种情况下，C2通过D2对C3电容充电。随着工作过程的 进行，最终VBOOST电压为VPULSE+VBAT-2*Vdiode 其中Vdiode为二极管 压降。此种方式非常方便的实现了比电源电压高的电压输出，保证了 G端可以 实现控制。在产生了比电源电压高的VBOOST以后，剩下的电路即是普通的电平转换和 控制信号的接口匹配电路了，这里以图4进行说明。该电路工作过程如下：V1为控制信号，V1控制信号低电平时，由于NPN型品体管Q2基极接+ 5V 电源，因此Q2导通，中间有电流通过，然后由于Q3为PNP型，故Q3也导通， VBOOST通过Q3对Q1开关管G端进行充电，最终实现Q1的导通；V1控制信号为高电平时，Q2截止，于是没有电流通过，Q3也截止，因此 VBOOST没有对Q1开关管G端的充电通路，于是G端电容通过Q4进行放电， 然后Q1开关管进入截止状态。从上面的分析可以看出，该控制方式的特点是控制信号和开关回路信号极性 相反，也即是负逻辑关系，控制信号高时，开关不导通，控制信号低时，开关才导通。该种方式的电平转换和控制信号接口比较简单，实现起来非常容易，因此 使用范围非常光。但必须注意的是该种方式，VBOOST升压不能作的很高，因 此电源电压范围不能很高，一般用在几十伏电压的水平。R11.2图4高端开关管驱动控制电路3. 高端N型功率开关驱动电路关键元器件的选择和电路保护从高端功率开关驱动电路的原理和实现可以知道，高端开关管控制实现比较 复杂，而且S端电平始终是浮动的，这对于开关管的可靠工作是非常不利的。N 型高端开关管的选择基本上和底端开关功率管的选择原则大致一样，也是考虑反 向击穿电压，最大电流，最大电阻等，应该根据负载类型进行选择。其实高端开 关驱动的关键是保护措施，首先导通的时候怎么保证开关管可靠的打开，上面的 驱动电路说明了两种型式，其实上面的电路关键是说明了怎么打开的问题，而在 开关关闭的时候，问题更为复杂。如果负载是感性的，则在关断的瞬间，由于电 流不同突变，因此如果没有保护措施的话，开关管S端感应出很大的负电压，这 样会导致开关管重新打开，因此必须对于关断时刻的负压进行限制，其实现思路 和底端开关的思路一样，一种是反向并联二极管，保证S端负电压不会太大，另 外的就是限位电路，这必须和负载结合进行讨论，但基本的关键还是不能在S 端出现大的负压。三. 实验内容1. 采用Protel设计高端功率开关调速电路（G端电压恒定方式）2. 对占空比20%，50%，80%情况下进行驱动电路仿真。3. 对于有无反向并联二极管进行仿真计算，分析该情况下的电路运行情况，特别 是S端电压情况。四. 实验设备和仪器Protel软件个人计算机Matlab软件五. 实验结果分析1. 不同占空比下，负载电感中的电流数据。2. 不同占空比下，功率开关管的S端电压六. 思考题1.N型高端开关功率管实现的关键是什么？2.S端不加反向二极管的话，电路会有什么后果，为什么？