三相控制整流器和变换器、矩阵循环换流器以及级联功率级一般都含有大量功率晶体管,每支晶体管都有自己的驱动电路。图1中的电路用1kHz ~ 200kHz频率的全占空比脉冲驱动一个容性输入功率器件,如MOSFET或IGBT(绝缘栅双极晶体管)。一只变压器起隔直作用,电路在15V初级电源电压下只消耗少量功率。采用具有输入电容高达5 nF的几只MOSFET和IGBT,测试满意,该驱动器通过调整驱动器晶体管、耦合变压器以及一些无源元件,可以适应更大电流的功率晶体管。晶体管Q
1和Q
2通过耦合变压器T
1向晶体管Q
3和Q
4传送约1ms持续时间的脉冲,分别为功率晶体管Q
5的栅源输入电容充、放电。Q
1产生的充电脉冲开始于驱动控制信号的上升沿,而Q
2产生的放电脉冲则开始于控制信号的下降沿。微分电路包括C
1、R
1、电位器P
1的一部分、C
2、R
2以及P
1的其余部分,它设定了充、放电脉冲的持续时间。必要时,调整P
1的设置可以改变 Q
5栅极上正、负充放电电压的平衡。

晶体管Q
3和Q
4分别为Q
5的输入电容传输充、放电脉冲,然后关断,在Q
5输入电容两端产生一个高阻抗,使Q
5栅极电压不能发生变化,除了由于微小的泄漏
电流而缓慢放电之外。因此,驱动器电路只在栅源充、放电过程的短暂间隔中消耗能量。
当晶体管Q
1 ~ Q
4关断时,电阻器与二极管R
3、D
3、R
4和D
4构成变压器T
1的消磁电流路径。尽管它们在多数时间是反向偏置的,二极管D
5和D
6构成了一个峰值振幅鉴别器,成为一个逻辑OR电路,以保证Q
3和Q
4的栅极电压总是等于或大于Q
5栅源电容正端上的电压。
电阻器R
5和R
6限制了为Q
5栅源电容的充、放电速率,并可以根据Q
5的驱动特性而变化。变压器T
1采用飞利浦3E5铁氧体材料的RM5/I芯,有一个中央抽头, 20匝初级绕组和12匝次级绕组,两者均使用0.2 mm直径、0.008英寸的AWG #32漆包线。
当晶体管Q
1导通时,在T
1的次级绕组中产生一个正电压,使P沟道MOSFET Q
3接通,并驱动Q
4的内部二极管进入导通状态,开始为Q
5的栅源电容充电。Q
3的导通电阻决定了充电速率。充电结束有两种情况:脉冲结束;或当Q
5的栅源电压近似于T
1的次级电压减去Q
3的栅极阈值电压。
然后,Q
3关断,允许充电电流衰减为零,电容达到其最大正向充电状态。当Q
1关断时,变压器T
1的磁化电流通过R
3和D
3复位。T
1次级绕组的电压略偏负,以补偿磁芯的伏秒特性,此特性会在无电流时正向偏置Q
3的体二极管,而Q
4的体二极管会阻止Q
5的栅源电压放电。
在Q
4栅极上施加的负电压不会使Q
4导通,因为二极管D
5的正向压降使Q
4的栅极电压高于Q
5的栅极电压。因此,Q
5的输入电容保持在充电状态,而复位路径对此电容保持高阻状态。当Q
2导通时,出现在T
1初级的负电压使Q
4导通,开始放电过程。当Q
4的栅源电压等于其阈值电平,或当脉冲结束时,充电过程终止。然后,Q
4关断,而Q
5的栅源电容达到最小负电压。当Q
2关断时,T
1的磁化电流通过D
4和R
4复位,Q
4的体二极管导通,Q
3的体二极管阻止Q
5的栅源电压。二极管D
6在Q
3和Q
4的栅极施加一个高电压,以保证T
1次级的复位电压不会使Q
3进入导通状态。于是,所有晶体管都关断,而Q
5的栅源电容保持在放电状态。当Q
1再次导通时,重复这个过程。

图2是与一只1欧元硬币和一支功率晶体管相比较的驱动器原型电路。晶体管是Advanced Power Technology的APT40GF120JRD,包括一个IGBT和一个FRED(快恢复外延二极管),它工作在最高1200V和60A,栅源电容为4 nF。晶体管采用JEDEC SOT-227封装,外形尺寸约为1.5英寸×1英寸 (38mm×25 mm)。图3和图4为图1电路在 20 kHz驱动IGBT Q
5的实验波形。导通延迟大约为600 ns,0.33W功耗时的总耗电为22 mA。当驱动晶体管的栅源电容较低时,电路的导通延迟和功耗均会减小。

