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【干貨分享】電源常用電路—驅(qū)動電路詳解

華秋商城 ? 來源:未知 ? 2023-10-26 09:40 ? 次閱讀

本篇將主要針對電源驅(qū)動電路進(jìn)行講解。

一 驅(qū)動電路概述

1、驅(qū)動電路的作用

驅(qū)動電路位于電源主電路和數(shù)字控制核心之間,其本質(zhì)是將數(shù)字控制核心產(chǎn)生的PWM信號進(jìn)行功率放大,以驅(qū)動功率開關(guān)器件的開斷。優(yōu)良的驅(qū)動電路能夠提高數(shù)字電源的可靠性,減少器件的開關(guān)損耗,提高能量轉(zhuǎn)換效率并降低EMI/EMC。

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2、驅(qū)動電路的分類

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驅(qū)動電路按照功率器的件接地類型分為直接接地驅(qū)動和浮動接地驅(qū)動。直接接地驅(qū)動電路中功率器件的接地端電位恒定,常用的有推挽驅(qū)動以及圖騰柱驅(qū)動等。浮動接地驅(qū)動的功率器件接地端電位會隨電路狀態(tài)變化而浮動。典型的浮動接地驅(qū)動電路為自舉驅(qū)動電路,它通過電平位移電路連接驅(qū)動電路與器件接地參考控制信號。自舉電容器 CBST、圖騰柱雙極驅(qū)動器和常規(guī)柵極電阻器都可作為電平位移電路。此外,一些驅(qū)動芯片已內(nèi)置自舉電路,可直接將自舉信號接入功率器件基準(zhǔn)端。

驅(qū)動電路按照電路結(jié)構(gòu)分為隔離型驅(qū)動和非隔離型驅(qū)動。隔離型驅(qū)動電路是指包含光耦、變壓器、電容等具有電氣隔離功能器件的驅(qū)動電路。非隔離驅(qū)動電路不具有電氣隔離結(jié)構(gòu),多采用電阻、二極管、三極管或非隔離型驅(qū)動芯片。

3、常見驅(qū)動電路形式

1)直接驅(qū)動

直接驅(qū)動電路是由單個電子元器件(如二極管、三極管、電阻、電容等)連接起來組成的驅(qū)動電路,電路中不具備電氣隔離,多用于功能簡單的小功率驅(qū)動場合。在復(fù)雜的數(shù)字電源系統(tǒng)中,直接驅(qū)動電路由于集成度低、故障率高等原因,已被逐漸淘汰。

2)隔離驅(qū)動

電路包含隔離器件,常用的有光耦驅(qū)動、變壓器驅(qū)動以及隔離電容驅(qū)動等。其中光耦驅(qū)動電路具有簡單、可靠、開關(guān)性能好等特點(diǎn)。而變壓器驅(qū)動電路不僅可以起到驅(qū)動作用,還可用于電壓隔離和阻抗匹配。

3)專用驅(qū)動集成芯片

目前專用驅(qū)動芯片在數(shù)字電源中應(yīng)用廣泛,許多驅(qū)動芯片自帶保護(hù)和隔離功能。根據(jù)其控制的功率器件數(shù)量,驅(qū)動芯片可以分為單驅(qū)芯片與雙驅(qū)芯片。其中雙驅(qū)芯片通常用于半橋、全橋等電源拓?fù)?,因?yàn)樾枰粚パa(bǔ)的控制信號。而單驅(qū)芯片則更適用于buck、boost、反激等電源拓?fù)洹?/p>

二 功率開關(guān)管常用驅(qū)動

1、MOSFET驅(qū)動

MOSFET常用于中小功率數(shù)字電源,其驅(qū)動電壓范圍一般在-10~20V之間。MOSFET對驅(qū)動電路的功率要求不高,在低頻場合可利用三極管直接驅(qū)動,而在高頻場合多采用變壓器或?qū)S眯酒M(jìn)行驅(qū)動。

1)三極管驅(qū)動電路

三級管驅(qū)動電路是最基本的MOS管驅(qū)動電路,下面以N—MOS三極管驅(qū)動電路為例。

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如圖,當(dāng)控制核心輸出高電平時,三極管Q1導(dǎo)通,N-MOS管Q2控制極(G)被拉低,MOS管截止;當(dāng)控制核心輸出低電平時,三極管Q1截止,電阻R3和R4對電源(V+)分壓,MOS管導(dǎo)通并達(dá)到飽和狀態(tài)。

G極電壓為:

Vcc * R4

VG = —————

(R3 + R4)

2)推挽驅(qū)動電路

當(dāng)電源IC驅(qū)動能力不足時可使用推挽驅(qū)動電路。推挽驅(qū)動電路能提升電流供給能力并能快速完成柵極輸入電容充電。

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如圖所示,推挽驅(qū)動電路包含一個PNP三極管及一個NPN三極管,采用互補(bǔ)輸出。輸入高電平時,上管NPN開啟,下管PNP關(guān)閉,驅(qū)動MOS管開啟;輸入低電平時,上管NPN關(guān)閉,下管PNP開啟,驅(qū)動MOS管關(guān)閉。

3)雙端變壓器耦合柵極驅(qū)動

雙端變壓器耦合柵極驅(qū)動電路可同時驅(qū)動兩個MOS管,多用于高功率半橋和全橋轉(zhuǎn)換器中,其電路結(jié)構(gòu)如圖。

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在第一個周期內(nèi)OUTA 開啟,給變壓器一次繞組施加正電壓,上管感應(yīng)導(dǎo)通。在接下來的一個周期內(nèi),OUTB 開啟(開啟時間與OUTA相同),在磁化電感上提供極性相反的電壓,下管導(dǎo)通。電路會產(chǎn)生兩個雙極性對稱的柵極驅(qū)動電壓輸出,符合半橋電路的控制要求。

2、IGBT驅(qū)動

IGBT常被用于中大功率數(shù)字電源開發(fā),其驅(qū)動電壓范圍為-15~15V。

IGBT驅(qū)動電路分為正壓驅(qū)動和負(fù)壓驅(qū)動,兩者的區(qū)別在于關(guān)斷時的門極電位。采用負(fù)壓關(guān)斷可以避免因米勒電容對門極電壓的抬升作用而產(chǎn)生的誤導(dǎo)通風(fēng)險,還可以加快關(guān)斷速度,減小關(guān)斷損耗,從一定程度上提高耐壓。

IGBT的驅(qū)動電路一般采用專用的驅(qū)動芯片,如東芝的TLP系列,富士公司的EXB系列,英飛凌的EiceDRIVER系列等。這里以東芝TLP250(華秋商城有現(xiàn)貨供應(yīng))和英飛凌1ED020I12-F2華秋商城有現(xiàn)貨供應(yīng))為例進(jìn)行介紹。

1)東芝TLP250芯片 >>點(diǎn)擊購買現(xiàn)貨

在低性能的三相電壓源或逆變器中,會通過監(jiān)測直流母線電流來實(shí)現(xiàn)電流控制,檢測結(jié)果可以用于IGBT的過流保護(hù)。在這類電路中,對IGBT驅(qū)動電路的要求相對簡單。東芝公司生產(chǎn)的TLP250在這種場景中應(yīng)用較多,其驅(qū)動電路如圖所示。

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TLP250內(nèi)置光耦合器,其隔離電壓可達(dá)2500V,上升和下降時間均小于0.5us,輸出電流達(dá)0.5A,可直接驅(qū)動50A/1200V以內(nèi)的IGBT。驅(qū)動器體積小,價格便宜,是不帶過電流保護(hù)的IGBT驅(qū)動芯片中的理想選擇。

2)英飛凌1ED020I12-F2芯片>>點(diǎn)擊購買現(xiàn)貨

英飛凌公司的1ED020I12F2是一款電流隔離單路IGBT驅(qū)動芯片,芯片輸出電流典型值為2A,可用于600V/1200V IGBT驅(qū)動。其內(nèi)部集成了無芯變壓器實(shí)現(xiàn)電氣絕緣隔離,能直接連接電源微控制器。

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同時,芯片具有過電流和短路保護(hù)的DESAT檢測功能、有源米勒箝位功能以及兩級關(guān)斷(TLTO)功能,常被用于逆變器和DC/DC轉(zhuǎn)換器等場合。

3、其他功率器件驅(qū)動

除了常用的MOS管和IGBT外,一些新型功率器件也廣泛使用于數(shù)字電源中,如SiC MOSFET和氮化鎵晶體管(GaN FET)等。

SiC Mosfet管具有阻斷電壓高、工作頻率高、耐高溫能力強(qiáng)、通態(tài)電阻低和開關(guān)損耗小等特點(diǎn),適用于高頻高壓場合;SiC MOSFET的驅(qū)動電壓范圍為-5~20V,其驅(qū)動電路設(shè)計應(yīng)考慮驅(qū)動電平與驅(qū)動電流的要求,死區(qū)時間設(shè)定的要求,芯片所帶的保護(hù)功能以及抗干擾性等。

氮化鎵晶體管與硅管相似,也是電壓驅(qū)動,它的柵源極驅(qū)動電壓范圍為-5~6V。為了獲得較小的驅(qū)動電阻, 氮化鎵晶體管驅(qū)動高電平一般設(shè)置在5V左右,考慮到高頻工作條件下回路的寄生感抗會引起較大的驅(qū)動振蕩,驅(qū)動電壓的安全裕量很小。但是GaN相對于Si MOSFET的一個重要優(yōu)勢在于其高頻性能優(yōu)異。

關(guān)于電源的驅(qū)動電路就講到這里,想必大家已初步了解驅(qū)動電路的實(shí)現(xiàn)方式以及工作原理。在實(shí)際設(shè)計驅(qū)動電路時可根據(jù)使用場景要求(功率、頻率、保護(hù)、驅(qū)動電壓/電流等)選擇合適的驅(qū)動電路形式。

文章來源| 電子發(fā)燒友論壇

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