- 設(shè)計(jì)MOSFET和IGBT的驅(qū)動(dòng)電路需考慮的因素
- 適用于不同功率情況下的驅(qū)動(dòng)電路
- 在中、小功率場(chǎng)合采用驅(qū)動(dòng)芯片直接驅(qū)動(dòng)
- 大功率場(chǎng)合采用集成驅(qū)動(dòng)器
1 引言
隨著電力電子技術(shù)和電力半導(dǎo)體器件的飛速發(fā)展，近幾年來MOSFET和IGBT在變頻調(diào)速裝置、開關(guān)電源、不間斷電源等各種高性能、低損耗和低噪聲的場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。這些功率器件的運(yùn)行狀態(tài)直接決定了設(shè)備性能的優(yōu)劣，而性能良好的驅(qū)動(dòng)電路又是開關(guān)器件安全可靠運(yùn)行的重要保障。在設(shè)計(jì)MOSFET和IGBT的驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素：
（1）要有一定的驅(qū)動(dòng)功率。也就是說，驅(qū)動(dòng)電路能提供足夠的電流，在所要求的開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間內(nèi)對(duì)MOSFET和IGBT的輸入電容Ciss充電和放電。輸入電容Ciss包括柵——源之間的電容CGS和柵——漏之間的電容CGD。 MOSFET和 IGBT的開通和關(guān)斷實(shí)質(zhì)上是對(duì)其輸入電容的充放電過程，柵極電壓VGS的上升時(shí)間tr和下降時(shí)間tf決定輸入回路的時(shí)間常數(shù)，即：tr（或tf）=2.2RCiss ，式中R是輸入回路電阻，其中包括驅(qū)動(dòng)電源的內(nèi)阻Ri。從上式中可以知道驅(qū)動(dòng)電源的內(nèi)阻越小，驅(qū)動(dòng)速度越快。
（2）驅(qū)動(dòng)電路延遲時(shí)間要小。開關(guān)頻率越高，延遲時(shí)間要越小。
（3）大功率IGBT在關(guān)斷時(shí)，有時(shí)須加反向電壓，以防止受到干擾時(shí)誤開通。
（4）驅(qū)動(dòng)信號(hào)有時(shí)要求電氣隔離。
以PWM DC-DC全橋變換器為例，其同一橋臂的兩只開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)S上和S下相差1800，是剛好相反的，即一只開關(guān)管開通，另一只開關(guān)管要關(guān)斷，或者同時(shí)關(guān)斷。其中，兩只上臂的開關(guān)管之間和下臂的開關(guān)管必須隔離。對(duì)于中小功率的驅(qū)動(dòng)電路，用脈沖變壓器的方法實(shí)現(xiàn)隔離最為簡(jiǎn)單，而在大功率的應(yīng)用場(chǎng)合，則要使用集成驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。
2 適用于中、小功率情況下的驅(qū)動(dòng)電路
在驅(qū)動(dòng)小功率的MOSFET和IGBT時(shí)，如果控制芯片的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是圖騰柱輸出方式，且可提供一定的驅(qū)動(dòng)電流，那么可以直接由控制芯片來驅(qū)動(dòng)變壓器，如圖1所示：
圖1 用芯片直接驅(qū)動(dòng)電路示意圖
圖中，UC3875提供了四個(gè)輸出電流峰值為2A的圖騰柱輸出極，由于它們直接驅(qū)動(dòng)的是變壓器，必須給每個(gè)輸出端與電源和地線之間接一個(gè)肖特基二極管，以防止損壞輸出端。變壓器次級(jí)經(jīng)過一個(gè)電阻后直接接到開關(guān)管的觸發(fā)極，電阻的作用是抑制脈沖變壓器的漏感和開關(guān)管的柵極電容引起的的震蕩。但是要驅(qū)動(dòng)功率較大的MOSFET和IGBT，上述控制芯片的驅(qū)動(dòng)能力就顯得不夠了，此時(shí)可以將控制芯片的驅(qū)動(dòng)信號(hào)加以推拉式功率放大，如圖2所示：
圖2 芯片后接功放的驅(qū)動(dòng)電路示意圖
適當(dāng)選擇三極管，就可以可靠地驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管。
3 適用于大功率場(chǎng)合驅(qū)動(dòng)電路方案
在大功率應(yīng)用場(chǎng)合，由于上述驅(qū)動(dòng)電路受驅(qū)動(dòng)能力的限制，無法可靠地驅(qū)動(dòng)大型MOSFET、IGBT。而集成驅(qū)動(dòng)器的出現(xiàn)則很好地解決了這一問題。國內(nèi)外已推出了多種具有保護(hù)功能的智能驅(qū)動(dòng)器，如日本產(chǎn)的EXB841、EXB850，國產(chǎn)的M57959和CWK等。它們具有許多優(yōu)點(diǎn)，如電路參數(shù)一致性好、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、具有多種保護(hù)功能等。但它們最大的不足是需要單獨(dú)的浮地電源，給系統(tǒng)帶來了不便。最近IR公司推出了IR2110集成驅(qū)動(dòng)器，它針對(duì)上述驅(qū)動(dòng)器電源系統(tǒng)的不足，設(shè)置了自舉浮動(dòng)電源，只需一路電源即可實(shí)現(xiàn)隔離驅(qū)動(dòng)。對(duì)半橋、全橋式電路特別適用。IR2110的功能框圖如圖3所示。
圖3 IR2110功能框圖
控制脈沖由Hin、Lin輸入，與兩路輸出H0、L0同相對(duì)應(yīng)分別用于驅(qū)動(dòng)上端和下端的開關(guān)管。SD可用作保護(hù)端，當(dāng)SD為高電平時(shí)，兩路輸出同時(shí)截止。驅(qū)動(dòng)器設(shè)有欠壓保護(hù)，如圖3中VCC低于欠壓給定值時(shí)，欠壓檢測(cè)電路產(chǎn)生一關(guān)斷信號(hào)，以關(guān)閉兩路輸出。邏輯輸入端設(shè)置了施密特觸發(fā)電路，提供高的抗干擾能力和接受緩慢上升時(shí)間的輸入信號(hào)。具有高抗干擾能力的VDD/VCC電平轉(zhuǎn)換電路將邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換成輸出驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，在電源地（COM）和邏輯地（VSS）之間設(shè)有±5V的額定偏移量，這樣使邏輯電路不會(huì)受到輸出驅(qū)動(dòng)開關(guān)感應(yīng)噪聲的影響。驅(qū)動(dòng)器兩通道均采用低跨導(dǎo)圖騰柱輸出，輸出峰值電流達(dá)2A以上。用IR2110構(gòu)成的全橋驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示：
圖4 IR2110應(yīng)用于全橋電路圖
圖中充電二極管VD1、VD2的耐壓值必須高于總線峰值電壓，應(yīng)采用功耗較小的快恢復(fù)整流二極管。自舉電容Cb1、Cb2的選取取決于開關(guān)頻率、負(fù)載周期及開關(guān)管柵極充電需要，應(yīng)考慮如下幾點(diǎn)：（1）PWM開關(guān)頻率高，電容值應(yīng)選小。
（2）對(duì)占空比調(diào)節(jié)較大的場(chǎng)合，特別是在高占空比時(shí)，電容要選小。否則，在有限的時(shí)間內(nèi)無法達(dá)到自舉電壓。
（3）盡量使自舉上電回路不經(jīng)大阻抗負(fù)載，否則電容得不到可靠的充電。
4 結(jié)語
針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，合理選取驅(qū)動(dòng)電路形式、正確選擇工作參數(shù)是MOSFET與IGBT安全工作的關(guān)鍵，同時(shí)也是保證整機(jī)運(yùn)行的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。實(shí)踐證明，在中、小功率場(chǎng)合采用驅(qū)動(dòng)芯片直接驅(qū)動(dòng)、大功率場(chǎng)合采用集成驅(qū)動(dòng)器的方案切實(shí)可行，能夠滿足設(shè)備的一般驅(qū)動(dòng)要求。
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