大、中功率MOSFET與IGBT驅動(dòng)電路方案探討

1　引言

　　隨著(zhù)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(lái)MOSFET和IGBT在變頻調速裝置、開(kāi)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(dòng)電路又是開(kāi)關(guān)器件安全可靠運行的重要保障。在設計 MOSFET和IGBT的驅動(dòng)電路時(shí)，應考慮以下幾個(gè)因素：

　?。?）要有一定的驅動(dòng)功率。也就是說(shuō)，驅動(dòng)電路能提供足夠的電流，在所要求的開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間內對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(kāi)通和關(guān)斷實(shí)質(zhì)上是對其輸入電容的充放電過(guò)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，即：tr（或tf）=2.2RCiss ，式中R是輸入回路電阻，其中包括驅動(dòng)電源的內阻Ri。從上式中可以知道驅動(dòng)電源的內阻越小，驅動(dòng)速度越快。

　?。?）驅動(dòng)電路延遲時(shí)間要小。開(kāi)關(guān)頻率越高，延遲時(shí)間要越小。

　?。?）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(kāi)通。
　　
　?。?）驅動(dòng)信號有時(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(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)信號S上和S下相差1800，是剛好相反的，即一只開(kāi)關(guān)管開(kāi)通，另一只開(kāi)關(guān)管要關(guān)斷，或者同時(shí)關(guān)斷。其中，兩只上臂的開(kāi)關(guān)管之間和下臂的開(kāi)關(guān)管必須隔離。對于中小功率的驅動(dòng)電路，用脈沖變壓器的方法實(shí)現隔離最為簡(jiǎn)單，而在大功率的應用場(chǎng)合，則要使用集成驅動(dòng)器驅動(dòng)。

2　適用于中、小功率情況下的驅動(dòng)電路

　　在驅動(dòng)小功率的MOSFET和IGBT時(shí)，如果控制芯片的驅動(dòng)信號是圖騰柱輸出方式，且可提供一定的驅動(dòng)電流，那么可以直接由控制芯片來(lái)驅動(dòng)變壓器，如圖1所示：

圖1　用芯片直接驅動(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，由于它們直接驅動(dòng)的是變壓器，必須給每個(gè)輸出端與電源和地線(xiàn)之間接一個(gè)肖特基二極管，以防止損壞輸出端。變壓器次級經(jīng)過(guò)一個(gè)電阻后直接接到開(kāi)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(kāi)關(guān)管的柵極電容引起的的震蕩。

　　但是要驅動(dòng)功率較大的MOSFET和IGBT，上述控制芯片的驅動(dòng)能力就顯得不夠了，此時(shí)可以將控制芯片的驅動(dòng)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(dòng)電路示意圖
　　適當選擇三極管，就可以可靠地驅動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管。

3　適用于大功率場(chǎng)合驅動(dòng)電路方案

　　在大功率應用場(chǎng)合，由于上述驅動(dòng)電路受驅動(dòng)能力的限制，無(wú)法可靠地驅動(dòng)大型MOSFET、IGBT。而集成驅動(dòng)器的出現則很好地解決了這一問(wèn)題。國內外已推出了多種具有保護功能的智能驅動(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)，如電路參數一致性好、運行穩定可靠、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，給系統帶來(lái)了不便。最近IR公司推出了IR2110集成驅動(dòng)器，它針對上述驅動(dòng)器電源系統的不足，設置了自舉浮動(dòng)電源，只需一路電源即可實(shí)現隔離驅動(dòng)。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

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