IGBT和MOSFET器件的隔離驅(qū)動(dòng)技術(shù)
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開關(guān)電源中大功率器件驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)一向是電源領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。普通大功率三極管和絕緣柵功率器件（包括MOSFET場效應(yīng)管和IGBT絕緣柵雙極性大功率管等），由于器件結(jié)構(gòu)的不同，具體的驅(qū)動(dòng)要求和技術(shù)也大不相同。前者屬于電流控制器件，要求合適的電流波形來驅(qū)動(dòng)；后者屬于電場控制器件，要求一定的電壓來驅(qū)動(dòng)。本文只介紹后者的情況。
MOSFET場效應(yīng)管（以及IGBT絕緣柵雙極性大功率管等器件）的源極和柵極之間是絕緣的二氧化硅結(jié)構(gòu)，直流電不能通過，因而低頻的表態(tài)驅(qū)動(dòng)功率接近于零。但是柵極和源極之間構(gòu)成了一個(gè)柵極電容Cgs，因而在高頻率的交替開通和需要關(guān)斷時(shí)需要一定的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)功率。小功率MOSFET管的Cgs一般在10-100pF之內(nèi)，對于大功率的絕緣柵功率器件，由于柵極電容Cgs較大。一般在1-100nF之間，因而需要較大的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)功率。更由于漏極到柵極的密勒電容Cdg，柵極驅(qū)動(dòng)功率往往是不可忽視的[1]。
因IGBT具有電流拖尾效應(yīng)，在關(guān)斷時(shí)要求更好的抗干擾性，需要負(fù)壓驅(qū)動(dòng)。MOSFET速度比較快，關(guān)斷時(shí)可以沒有負(fù)壓，但在干擾較重時(shí)，負(fù)壓關(guān)斷對于提高可靠性有很大好處。
2 現(xiàn)在隔離驅(qū)動(dòng)技術(shù)情況
為可靠驅(qū)動(dòng)絕緣柵器件，目前已有很多成熟電路。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號與功率器件不需要隔離時(shí)，驅(qū)動(dòng)電
路的設(shè)計(jì)是比較簡單的，目前也有了許多優(yōu)秀的驅(qū)動(dòng)集成電路，如國際整流器公司的IR2110。當(dāng)需要驅(qū)動(dòng)器的輸入端與輸出端電氣隔離時(shí)，一般有兩種途徑：采用光電耦合器，或是利用脈沖變壓器來提供電氣隔離。
2.1 光電耦合器隔離的驅(qū)動(dòng)器
光電耦合器的優(yōu)點(diǎn)是體積小巧，缺點(diǎn)是：A、反應(yīng)較慢，因而具有較大的延遲時(shí)間（高速型光耦一般也大于300ns）；B、光電耦合器的輸出級需要隔離的輔助電源供電。
2.2 無源變壓器驅(qū)動(dòng)
用脈沖變壓器隔離驅(qū)動(dòng)絕緣柵功率器件有三種方法：無源、有源和自給電源驅(qū)動(dòng)。
無源方法就是用變壓器次級的輸出直流驅(qū)動(dòng)絕緣柵器件，這種方法很簡單也不需要單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)電源。缺點(diǎn)是輸出波型失真較大，因?yàn)榻^緣柵功率器件的柵源電容Cgs一般較大。減小失真的辦法是將初級的輸入信號改為具有一定功率的大信號，相應(yīng)脈沖變壓器也應(yīng)取較大體積，但在大功率下，一般仍不令人滿意。另一缺點(diǎn)是當(dāng)占空比變化較大時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)脈沖的正負(fù)幅值變化太大，可能導(dǎo)致工作不正常，因此只適用于占空比變化不大的場合。
2.3 有源變壓器驅(qū)動(dòng)
有源方法中的變壓器只提供隔離的信號，在次級另有整形放大電路來驅(qū)動(dòng)絕緣柵功率器件，當(dāng)然驅(qū)動(dòng)波形較好，但是需要另外提供單獨(dú)的輔助電源供給放大器。而輔助電源如果處理不當(dāng)，可能會(huì)引進(jìn)寄生的干擾。
2.4 調(diào)制型自給電源的變壓器隔離驅(qū)動(dòng)器
采用自給電源技術(shù)，只用一個(gè)變壓器，既省卻了輔助電源，又能得到較快的速度，當(dāng)然是不錯(cuò)的方法。目前自給電源的產(chǎn)生有調(diào)制和從分時(shí)兩種方法。
調(diào)制技術(shù)是比較經(jīng)典的方法，即對PWM驅(qū)動(dòng)信號進(jìn)行高頻（幾個(gè)MHZ以上）調(diào)制，并將調(diào)制信號加在隔離脈沖變壓器初級，在次級通過直接整流得到自給電源，而原PWM調(diào)制信號則需經(jīng)過解調(diào)取得，顯然，這種方法并不簡單。調(diào)制式的另一缺點(diǎn)是PWM的解調(diào)要增加信號的延時(shí)，調(diào)制方式適于傳遞較低頻率的PWM信號。
2.5 分時(shí)型自給電源的變壓器隔離驅(qū)動(dòng)器[2]
分時(shí)技術(shù)是一種較新的技術(shù)，其原理是，將信號和能量的傳送采取分別進(jìn)行的方法，即在變壓器輸入PWM信號的上升和下降沿傳遞信息，在輸入信號的平頂階段傳遞驅(qū)動(dòng)所需要的能量。由于在PWM信號的上升和下降沿只傳遞信號，基本沒有能量傳輸，因而輸出的PWM脈沖的延時(shí)和畸變都很小，能獲得陡峭的驅(qū)動(dòng)輸出脈沖。分時(shí)型自給電源驅(qū)動(dòng)器的不足是用于低頻時(shí)變壓器的體積較大，此外由于自給能量的限制，驅(qū)動(dòng)超過300A/1200V的IGBT比較困難。
3 市場上的驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品簡介
當(dāng)前市場上的成品驅(qū)動(dòng)器，按驅(qū)動(dòng)信號與被驅(qū)動(dòng)的絕緣柵器件的電器關(guān)系來分，可分為直接驅(qū)動(dòng)和隔離驅(qū)動(dòng)兩種，其中隔離驅(qū)動(dòng)的隔離元件有光電耦合器和脈沖變壓器兩種。
3.1 不隔離的直接驅(qū)動(dòng)器
在Boost 、正激或反激等電路中，功率開關(guān)管的源極位于輸入電源的下軌，PWM IC 輸出的驅(qū)動(dòng)信號一般不必與開關(guān)管隔離，可以直接驅(qū)動(dòng)。如果需要較大的驅(qū)動(dòng)能力，可以加接一級放大器或是串上一個(gè)成品驅(qū)動(dòng)器。直接驅(qū)動(dòng)的成品驅(qū)動(dòng)器一般都采用薄膜工藝制成IC電路，調(diào)節(jié)電阻和較大的電容由外引腳接入。
目前的這類成品驅(qū)動(dòng)器種類不少，如TI公司的UCC37XX系列、TOSIBA公司的TPS28XX系列、Onsemi公司的MC3315X系列、SHARP公司的PC9XX系列、IR公司的IR21XX系列，等等，種類繁多，本文不作具體介紹，讀者可查閱相關(guān)資料。
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