MOSFET双通路型斩波电路设计

改造者：孙雪峰

MOSFET双通路型斩波电路设计

改造者：孙雪峰

电化学基础

根据金属腐蚀电化学基础理论，不纯净的金属或合金与电解质溶液接触会发生原电池反应，导致金属或合金腐蚀、产生微弱气流、化学腐蚀和电化学腐蚀同时发生。而纯金属很容易与空气（含CO2）和水长期接触因酸性水膜而发生析氢以及因弱酸性和中性水膜而发生氧化等电化学腐蚀。

而电化学加工技术利用金属的电化学腐蚀现象，在通电的电解液中，离子在电极和溶液之间形成动态流动，可以实现对工件材料的双向加工。带电离子的流动使其在溶液中分布不均匀，形成电位差。产生的电位差越靠近金属表面增长越快些。

如果反应中金属离子的析出和溶解速度互为补充，即金属发生的氧化反应和还原反应达到一个动态平衡，我们称这种状态下的电极电位达到一个平衡电极电位，电极称为可逆电极。达到平衡电极电位的条件有很多，其表达式可引用奈斯特方程式：

式中：E'是平衡电极电位，V；

根据具体金属的不同性质表现，上述方程式可改写成不同的简式：

金属电极简式：

非金属电极简式：

处于平衡电极电位的状态，电极上的离子保持动态平衡，电极上不会有电流流过。电化学加工过程是要利用电极上偏离平衡电极电位的电位差，甚至是强电流加快化学反应速度。电极上流经的电流强度越大，电极电位差越大，这种现象被称为电极的极化。偏离差称为超电压。电极的极化趋势为，电流加强促使两级电极电位数值的绝对值增长。

研究表明，使用高频脉冲型电化学电源进行微细电化学加工，能够在很大程度上改善加工精度和表面质量，实现微小电极间隙加工，并为极小间隙加工提出一种可能。因为与直流电源相比，脉冲间歇时间用来分散电解液温度和清除电解产物，使电极表面的极化减弱。

斩波电路设计

斩波电路作为高频电化学加工电源的重要部分，是通过脉冲信号的控制，把主回路直流稳压信号转换为高频信号的一种电路。其核心器件为MOSFET，MOSFET是单极性压控器件，开关速度快，但存在极间电容。以MOSFET器件为核心所设计斩波电路的性能直接影响加工电源的质量性能。

图1　MOSFET的开关过程

MOSFET的开关过程

在MOSFET工作过程中，每当遇到脉冲电压uP的上升沿时刻t0，MOSFET会在输入电容Ci的作用下开始充电，栅源电压uGS 保持上升直到达到开启电压值uT时刻t1，此时漏极电流iD开始产生。从t0到t1这段时间，称为开通延迟时间td（on）。t1时刻开始，iD伴随uGS而增长。漏极电流iD增长到t2时刻达到一个稳态值，此时，栅源电压uGS也增长到一个稳态值uGSP。从t1到t2这段时间称为电流上升时间tri。t2时刻开始，漏极电流iD和栅源电压uGS保持稳态值不变，漏极电压uGS下降，直到t3时刻，uGS降为0。从t2到t3这段时间称为电压下降时间tfv。这段时间维持不变的栅源电压uGS形成了一个值为uGSP的平台，这个平台被称为米勒平台（Miller Plateau），在t3时刻后又缓慢上升并在某一时刻到达最终的稳态值。至此MOSFET开通。事实上栅源电压uGS保持不变的原因是栅极的信号给栅极和漏极的极间电容CGD（又称米勒电容Miller Capacitance）反向充电使漏极电压uDS降低，栅源电压uGS保持不变。MOSFET的关断过程的步骤和电气特性的变化与开通过程相反，相应的电气值则基本一致。

在实际工作工程中，MOSFET与其他各类电气元件一样，各项电气特性值的测量和计算一般都是基于稳态值的10％、90％来定义的。而如图中曲线所示的达到绝对满度和绝对零的情况则是在定性分析开关各阶段过程变化时有较多应用。

斩波电路的工作模型

MOSFET的开关模型如图所示，开关特性好坏取决于极间电容的电压变化快慢：

CGD= CR CR为反馈电容

CGS= CI -CR CI为输入电容

CDS= CO -CR CO为输出电容

在开关电路，特别是高频开关电路中，开关特性的好坏的主要影响因素是MOSFET的动态特性，而MOSFET的动态特性是由内部的三个极间电容充放电速度快慢决定的，特别是栅源极间电容的充放电速度。在MOSFET正常工作时，维持其静态工作的能量损失要远远小于维持其动态工作的能量损失，这是由于它超过千亿量级欧姆的输入高阻抗。所谓的动态工作状态就是MOSFET处在开关和闭合交替转换的工作状态，工作状态的转换引起极间寄生电容充放电变化，势必损失一定的能量。随着开关频率的增加，短时间内损失的能量则会更多。

在MOSFET关断的时刻，MOSFET内部电位反差形成反向电流通路来释放寄生电容储存的电荷，高频的工作状态下，内部形成的反向电流通路会因为开关速度慢而造成电荷释放时间较长，这时MOSFET就会在寄生电容的电荷量尚未释放完全时改变工作状态，开关特性变差。

如图2是栅源极间电荷（即输入电容的电荷）与栅源极间电压的曲线图。MOSFET导通，栅源极间电荷量逐渐增长，输入电容充电。完全导通后，输入电容不再增长，而栅源极间电压会继续增长。所以，MOSFET开关性能主要看栅源极间电容的充放电速度。

图2　MOSFET双通路型斩波电路

MOSFET双通路型斩波电路

本设计结合以MOSFET为主要功率器件、应用于高频微细电化学加工的研究，提出了一种具有较强抗干扰能力和负载能力的MOSFET双通路型斩波电路。两路MOSFET开关管的栅极控制信号频率相同，相位相差180度，因此两路MOSFET器件在同一时刻只有一个开通一个关断，R为限流电阻。

当T1的控制信号为由高电平转换为低电平时，T2的控制信号由低电平转换为高电平。此时开关管T1由开通转换为关断，T2由关断转换为开通，工件两端电压为工作电压U，电路为微细电化学加工状态。当T1的控制信号从低电平变成高电平时，T2的控制信号从高电平变成低电平，开关管T1自关变开，T2自开变关，此时工件回路为开路，工作状态为微细电化学加工间隙。在电压转换的过程中，工件两端由于维持电压的存在也不会立即变为零，而因为开关管T1的存在，开通的T1与工件组成回路，迅速地释放掉两极间积蓄的电荷，有效地消除维持电压，提高了电化学微细加工的加工精度和表面质量。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.24.043