- 設(shè)計MOSFET和IGBT的驅(qū)動電路需考慮的因素
- 適用于不同功率情況下的驅(qū)動電路
- 在中、小功率場合采用驅(qū)動芯片直接驅(qū)動
- 大功率場合采用集成驅(qū)動器
1 引言
隨著電力電子技術(shù)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(guān)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(shè)備性能的優(yōu)劣，而性能良好的驅(qū)動電路又是開關(guān)器件安全可靠運行的重要保障。在設(shè)計MOSFET和IGBT的驅(qū)動電路時，應考慮以下幾個因素：
（1）要有一定的驅(qū)動功率。也就是說，驅(qū)動電路能提供足夠的電流，在所要求的開通時間和關(guān)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(guān)斷實質(zhì)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(qū)動電源的內(nèi)阻Ri。從上式中可以知道驅(qū)動電源的內(nèi)阻越小，驅(qū)動速度越快。
（2）驅(qū)動電路延遲時間要小。開關(guān)頻率越高，延遲時間要越小。
（3）大功率IGBT在關(guān)斷時，有時須加反向電壓，以防止受到干擾時誤開通。
（4）驅(qū)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(guān)管的驅(qū)動信號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。對于中小功率的驅(qū)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(qū)動器驅(qū)動。
2 適用于中、小功率情況下的驅(qū)動電路
在驅(qū)動小功率的MOSFET和IGBT時，如果控制芯片的驅(qū)動信號是圖騰柱輸出方式，且可提供一定的驅(qū)動電流，那么可以直接由控制芯片來驅(qū)動變壓器，如圖1所示：
圖1 用芯片直接驅(qū)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(qū)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(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)動功率較大的MOSFET和IGBT，上述控制芯片的驅(qū)動能力就顯得不夠了，此時可以將控制芯片的驅(qū)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(qū)動電路示意圖
適當選擇三極管，就可以可靠地驅(qū)動功率開關(guān)管。
3 適用于大功率場合驅(qū)動電路方案
在大功率應用場合，由于上述驅(qū)動電路受驅(qū)動能力的限制，無法可靠地驅(qū)動大型MOSFET、IGBT。而集成驅(qū)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(qū)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(qū)動器，它針對上述驅(qū)動器電源系統(tǒng)的不足，設(shè)置了自舉浮動電源，只需一路電源即可實現(xiàn)隔離驅(qū)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
控制脈沖由Hin、Lin輸入，與兩路輸出H0、L0同相對應分別用于驅(qū)動上端和下端的開關(guān)管。SD可用作保護端，當SD為高電平時，兩路輸出同時截止。驅(qū)動器設(shè)有欠壓保護，如圖3中VCC低于欠壓給定值時，欠壓檢測電路產(chǎn)生一關(guān)斷信號，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間的輸入信號。具有高抗干擾能力的VDD/VCC電平轉(zhuǎn)換電路將邏輯信號轉(zhuǎn)換成輸出驅(qū)動。同時，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受到輸出驅(qū)動開關(guān)感應噪聲的影響。驅(qū)動器兩通道均采用低跨導圖騰柱輸出，輸出峰值電流達2A以上。用IR2110構(gòu)成的全橋驅(qū)動電路如圖4所示：
圖4 IR2110應用于全橋電路圖
圖中充電二極管VD1、VD2的耐壓值必須高于總線峰值電壓，應采用功耗較小的快恢復整流二極管。自舉電容Cb1、Cb2的選取取決于開關(guān)頻率、負載周期及開關(guān)管柵極充電需要，應考慮如下幾點：（1）PWM開關(guān)頻率高，電容值應選小。
（2）對占空比調(diào)節(jié)較大的場合，特別是在高占空比時，電容要選小。否則，在有限的時間內(nèi)無法達到自舉電壓。
（3）盡量使自舉上電回路不經(jīng)大阻抗負載，否則電容得不到可靠的充電。
4 結(jié)語
針對不同的應用場合，合理選取驅(qū)動電路形式、正確選擇工作參數(shù)是MOSFET與IGBT安全工作的關(guān)鍵，同時也是保證整機運行的一個重要環(huán)節(jié)。實踐證明，在中、小功率場合采用驅(qū)動芯片直接驅(qū)動、大功率場合采用集成驅(qū)動器的方案切實可行，能夠滿足設(shè)備的一般驅(qū)動要求。
參考文獻:
[1]黃俊,王兆安. 電力電子變流技術(shù)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1993
[2]侯振義,王義明.高速MOSFET驅(qū)動電路設(shè)計考慮[L]. 全國電源技術(shù)年會論文集，1997
[3]Bill Reycak “Phase shifted zero-voltage transition design considerations and the UC3875 PWM controller” Unitrode application note
