大、中功率MOSFET與IGBT驅動電路方案探討
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
1 引言
隨著電力電子技術和電力半導體器件的飛速發(fā)展，近幾年來MOSFET和IGBT在變頻調(diào)速裝置、開關電源、不間斷電源等各種高性能、低損耗和低噪聲的場合得到了廣泛的應用。這些功率器件的運行狀態(tài)直接決定了設備性能的優(yōu)劣，而性能良好的驅動電路又是開關器件安全可靠運行的重要保障。在設計 MOSFET和IGBT的驅動電路時，應考慮以下幾個因素：
（1）要有一定的驅動功率。也就是說，驅動電路能提供足夠的電流，在所要求的開通時間和關斷時間內(nèi)對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的開通和關斷實質上是對其輸入電容的充放電過程，柵極電壓VGS的上升時間tr和下降時間tf決定輸入回路的時間常數(shù)，即：tr（或tf）=2.2RCiss ，式中R是輸入回路電阻，其中包括驅動電源的內(nèi)阻Ri。從上式中可以知道驅動電源的內(nèi)阻越小，驅動速度越快。
?。?）驅動電路延遲時間要小。開關頻率越高，延遲時間要越小。
?。?）大功率IGBT在關斷時，有時須加反向電壓，以防止受到干擾時誤開通。
?。?）驅動信號有時要求電氣隔離。
以PWM DC-DC全橋變換器為例，其同一橋臂的兩只開關管的驅動信號S上和S下相差1800，是剛好相反的，即一只開關管開通，另一只開關管要關斷，或者同時關斷。其中，兩只上臂的開關管之間和下臂的開關管必須隔離。對于中小功率的驅動電路，用脈沖變壓器的方法實現(xiàn)隔離最為簡單，而在大功率的應用場合，則要使用集成驅動器驅動。
2 適用于中、小功率情況下的驅動電路
在驅動小功率的MOSFET和IGBT時，如果控制芯片的驅動信號是圖騰柱輸出方式，且可提供一定的驅動電流，那么可以直接由控制芯片來驅動變壓器，如圖1所示：
圖1 用芯片直接驅動電路示意圖
圖中，UC3875提供了四個輸出電流峰值為2A的圖騰柱輸出極，由于它們直接驅動的是變壓器，必須給每個輸出端與電源和地線之間接一個肖特基二極管，以防止損壞輸出端。變壓器次級經(jīng)過一個電阻后直接接到開關管的觸發(fā)極，電阻的作用是抑制脈沖變壓器的漏感和開關管的柵極電容引起的的震蕩。
但是要驅動功率較大的MOSFET和IGBT，上述控制芯片的驅動能力就顯得不夠了，此時可以將控制芯片的驅動信號加以推拉式功率放大，如圖2所示：
圖2 芯片后接功放的驅動電路示意圖
適當選擇三極管，就可以可靠地驅動功率開關管。
3 適用于大功率場合驅動電路方案
在大功率應用場合，由于上述驅動電路受驅動能力的限制，無法可靠地驅動大型MOSFET、IGBT。而集成驅動器的出現(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功能的智能驅動器，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，如電路參數(shù)一致性好、運行穩(wěn)定可靠、具有多種保護功能等。但它們最大的不足是需要單獨的浮地電源，給系統(tǒng)帶來了不便。最近IR公司推出了IR2110集成驅動器，它針對上述驅動器電源系統(tǒng)的不足，設置了自舉浮動電源，只需一路電源即可實現(xiàn)隔離驅動。對半橋、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
隨著電力電子技術和電力半導體器件的飛速發(fā)展，近幾年來MOSFET和IGBT在變頻調(diào)速裝置、開關電源、不間斷電源等各種高性能、低損耗和低噪聲的場合得到了廣泛的應用。這些功率器件的運行狀態(tài)直接決定了設備性能的優(yōu)劣，而性能良好的驅動電路又是開關器件安全可靠運行的重要保障。在設計 MOSFET和IGBT的驅動電路時，應考慮以下幾個因素：
（1）要有一定的驅動功率。也就是說，驅動電路能提供足夠的電流，在所要求的開通時間和關斷時間內(nèi)對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的開通和關斷實質上是對其輸入電容的充放電過程，柵極電壓VGS的上升時間tr和下降時間tf決定輸入回路的時間常數(shù)，即：tr（或tf）=2.2RCiss ，式中R是輸入回路電阻，其中包括驅動電源的內(nèi)阻Ri。從上式中可以知道驅動電源的內(nèi)阻越小，驅動速度越快。
?。?）驅動電路延遲時間要小。開關頻率越高，延遲時間要越小。
?。?）大功率IGBT在關斷時，有時須加反向電壓，以防止受到干擾時誤開通。
?。?）驅動信號有時要求電氣隔離。
以PWM DC-DC全橋變換器為例，其同一橋臂的兩只開關管的驅動信號S上和S下相差1800，是剛好相反的，即一只開關管開通，另一只開關管要關斷，或者同時關斷。其中，兩只上臂的開關管之間和下臂的開關管必須隔離。對于中小功率的驅動電路，用脈沖變壓器的方法實現(xiàn)隔離最為簡單，而在大功率的應用場合，則要使用集成驅動器驅動。
2 適用于中、小功率情況下的驅動電路
在驅動小功率的MOSFET和IGBT時，如果控制芯片的驅動信號是圖騰柱輸出方式，且可提供一定的驅動電流，那么可以直接由控制芯片來驅動變壓器，如圖1所示：
圖中，UC3875提供了四個輸出電流峰值為2A的圖騰柱輸出極，由于它們直接驅動的是變壓器，必須給每個輸出端與電源和地線之間接一個肖特基二極管，以防止損壞輸出端。變壓器次級經(jīng)過一個電阻后直接接到開關管的觸發(fā)極，電阻的作用是抑制脈沖變壓器的漏感和開關管的柵極電容引起的的震蕩。
但是要驅動功率較大的MOSFET和IGBT，上述控制芯片的驅動能力就顯得不夠了，此時可以將控制芯片的驅動信號加以推拉式功率放大，如圖2所示：
適當選擇三極管，就可以可靠地驅動功率開關管。
3 適用于大功率場合驅動電路方案
在大功率應用場合，由于上述驅動電路受驅動能力的限制，無法可靠地驅動大型MOSFET、IGBT。而集成驅動器的出現(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功能的智能驅動器，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，如電路參數(shù)一致性好、運行穩(wěn)定可靠、具有多種保護功能等。但它們最大的不足是需要單獨的浮地電源，給系統(tǒng)帶來了不便。最近IR公司推出了IR2110集成驅動器，它針對上述驅動器電源系統(tǒng)的不足，設置了自舉浮動電源，只需一路電源即可實現(xiàn)隔離驅動。對半橋、全橋式電路特別適用。IR2110的功能框圖如圖3所示。
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