開(kāi)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VMOS場(chǎng)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(lái)驅(qū)動(dòng);后者屬于電場(chǎng)控制器件,要求一定的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)。本文只介紹后者的情況。

　　VMOS場(chǎng)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(guò),因而低頻的靜態(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(kāi)通和關(guān)斷時(shí)需要一定的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)功率。小功率VMOS管的Cgs一般在10-100pF之內(nèi),對(duì)于大功率的絕緣柵功率器件,由于柵極電容Cgs較大，在1-100nF,甚至更大,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)功率是不可忽視的。

　　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(hào)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(jiǎn)單的，目前也有了一些優(yōu)秀的驅(qū)動(dòng)集成電路，如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(lái)提供電氣隔離。

　　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500ns)；B.光電耦合器的輸出級(jí)需要隔離的輔助電源供電。

　　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(wú)源、有源和自給電源驅(qū)動(dòng)。

　　無(wú)源方法就是用變壓器次級(jí)的輸出直接驅(qū)動(dòng)絕緣柵器件，這種方法很簡(jiǎn)單，也不需要單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)電源，但由于絕緣柵功率器件的柵源電容Cgs一般較大，因而柵源間的波形Vgs將有明顯變形，除非將初級(jí)的輸入信號(hào)改為具有一定功率的大信號(hào)，相應(yīng)脈沖變壓器也應(yīng)取較大體積。

　　有源方法中的變壓器只提供隔離的信號(hào)，在次級(jí)另有整形放大電路來(lái)驅(qū)動(dòng)絕緣柵功率器件，當(dāng)然驅(qū)動(dòng)波形好，但是需要另外提供隔離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。

　　自給電源方法的已有技術(shù)是對(duì)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行高頻(1MHz以上)調(diào)制，該信號(hào)加在隔離脈沖變壓器的初級(jí)，在次級(jí)通過(guò)直接整流得到自給電源，而原PWM調(diào)制信號(hào)則需經(jīng)過(guò)解調(diào)取得，顯然，這種方法并不簡(jiǎn)單, 價(jià)格當(dāng)然也較高。調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是可以傳遞的占空比不受限制。

　　分時(shí)式自給電源是北京落木源公司的創(chuàng)新技術(shù)，其特點(diǎn)是變壓器在輸入PWM信號(hào)的上升和下降沿只傳遞PWM信息，在輸入信號(hào)的平頂階段傳遞驅(qū)動(dòng)所需要的能量，因而波形失真很小。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是占空比一般只能達(dá)到5－95％。

　　市場(chǎng)上的驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品簡(jiǎn)介

　　當(dāng)前市場(chǎng)上的成品驅(qū)動(dòng)器,按驅(qū)動(dòng)信號(hào)與被驅(qū)動(dòng)的絕緣柵器件的電氣關(guān)系來(lái)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。

　　不隔離的直接驅(qū)動(dòng)器

　　在Boost、全波、正激或反激等電路中，功率開(kāi)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(hào)一般不必與開(kāi)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(jí)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。

　　目前的成品驅(qū)動(dòng)器種類(lèi)不少，如TI公司的UCC37XXX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(lèi)繁多，本文不作具體介紹，讀者可查閱相關(guān)資料。

　　使用光電耦合器的隔離驅(qū)動(dòng)器

　　隔離驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品絕大部分是使用光電耦合器來(lái)隔離輸入的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和被驅(qū)動(dòng)的絕緣柵器件，采用厚膜工藝制成HIC電路，部分阻容元件也由引腳接入。

　　目前市售的光電耦合型驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品，主要有FUJI公司的EXB8XX系列、MITSUBISHI公司的M579XX系列、英達(dá)公司的HR065和西安愛(ài)帕克電力電子有限公司的HL402B等，以及北京落木源電子技術(shù)有限公司的TX-KA系列。TX-KA系列驅(qū)動(dòng)器保護(hù)功能完善、工作頻率高、價(jià)格便宜，并能與多種其它類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)器兼容。

　　此類(lèi)產(chǎn)品，由于光電耦合器的速度限制，一般工作頻率都在50KHz以下(TX-KA101可達(dá)80K)。它們的優(yōu)點(diǎn)是，大部分具有過(guò)流保護(hù)功能，其過(guò)電流信號(hào)是從IGBT的管壓降中取得的；共同的缺點(diǎn)是需要一個(gè)或兩個(gè)獨(dú)立的輔助電源，因而使用較為麻煩。

　　由于成本問(wèn)題，該類(lèi)產(chǎn)品價(jià)格稍高，因此只適用于在大功率電源中驅(qū)動(dòng)IGBT模塊，在中小功率領(lǐng)域難以推廣使用。

　　變壓器隔離、一路電源輸入，自帶DC/DC輔助電源的驅(qū)動(dòng)器

　　目前有CONCEPT公司的２SD315A和SEMIKRON公司的SKHI2２等，使用兩個(gè)脈沖變壓器傳遞半橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)，需要一路電源輸入，自帶一個(gè)DC/DC電源提供驅(qū)動(dòng)所需的兩個(gè)輔助電源．輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)質(zhì)量不錯(cuò)，驅(qū)動(dòng)能力也很強(qiáng)，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因而體積較大，價(jià)格不菲，只適用于特大功率電源中。上述兩種驅(qū)動(dòng)板的信號(hào)傳遞采用的是調(diào)制技術(shù)。

　　北京落木源公司也開(kāi)發(fā)了一款變壓器隔離的驅(qū)動(dòng)器，型號(hào)為KB101，可以工作在較高的頻率上，但是需要用戶提供輔助電源。

　　變壓器隔離、調(diào)制式自給電源驅(qū)動(dòng)器

　　調(diào)制式自給電源驅(qū)動(dòng)器，采用變壓器進(jìn)行電氣隔離，通過(guò)載頻傳遞驅(qū)動(dòng)所需要的能量，通過(guò)調(diào)制信號(hào)傳遞PWM信息，因此可以通過(guò)0－100％占空比的PWM信號(hào)。目前的許多驅(qū)動(dòng)板產(chǎn)品都采用這種技術(shù)，如西門(mén)康的SKHI27等。

　　單片式的調(diào)制驅(qū)動(dòng)器，目前國(guó)外還未見(jiàn)有產(chǎn)品出售。但有一種2片組合式的，如UNITRODE公司的UC3724/25集成電路對(duì)，其中3724與驅(qū)動(dòng)源相連，3725與被驅(qū)動(dòng)的絕緣柵器件相連，3724與3725之間由用戶接入一個(gè)脈沖變壓器，在UC3724中將PWM信號(hào)調(diào)制到約１MHz的載波上，送到隔離脈沖變壓器的初級(jí)，次級(jí)輸出信號(hào)在UC3725中通過(guò)直接整流得到自給電源，通過(guò)解調(diào)取得原PWM信號(hào)。

　　國(guó)內(nèi)的單片式調(diào)制驅(qū)動(dòng)器，有北京落木源的TX-KE系列驅(qū)動(dòng)器。

　　調(diào)制驅(qū)動(dòng)器，除無(wú)需用戶提供輔助電源外，還具有隔離電壓高的特點(diǎn)，但是價(jià)格較高。

　　變壓器隔離、分時(shí)式自給電源驅(qū)動(dòng)器

　　分時(shí)式自給電源驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是：價(jià)格便宜，大中小功率的電源都可應(yīng)用；驅(qū)動(dòng)器自身不需要單獨(dú)的供電電源，簡(jiǎn)化了電路；輸出驅(qū)動(dòng)脈沖的延遲很少，上升和下降沿也相當(dāng)陡峭；工作頻率較高；并且可在占空比5-95%的范圍內(nèi)工作。

　　分時(shí)式自給電源驅(qū)動(dòng)器的缺點(diǎn)是：當(dāng)工作頻率較低時(shí)變壓器的體積較大，厚膜化困難，由于自給電源提供的能量有限、難以驅(qū)動(dòng)300A/1200V以上的IGBT。

　　TX系列驅(qū)動(dòng)器介紹

　　TX-KA系列IGBT驅(qū)動(dòng)器

　　采用高速光電耦合器隔離，保護(hù)措施比較完備，具有信號(hào)封鎖功能，可以最大限度地保護(hù)IGBT。其中多個(gè)型號(hào)與國(guó)外產(chǎn)品兼容。KA102具有完善的三段式短路保護(hù)，可以驅(qū)動(dòng)2000A/1700V的IGBT。

　　TX-KB系列IGBT驅(qū)動(dòng)器

　　采用變壓器隔離，工作頻率比較高，具有較完善的保護(hù)功能，具有信號(hào)封鎖功能。

　　TX-KC系列IGBT驅(qū)動(dòng)器

　　保護(hù)功能比較完善，具有信號(hào)封鎖功能，采用變壓器隔離，次級(jí)采用分時(shí)自給電源，無(wú)需用戶提供隔離電源。

　　TX-KD系列IGBT驅(qū)動(dòng)器

　　種類(lèi)較多，采用變壓器隔離，次級(jí)采用分時(shí)自給電源，占空比可達(dá)5-95%，使用方便，價(jià)格較低廉，能驅(qū)動(dòng)各種單管和半橋、雙正激、同步整流電路中的雙管，但一般不適用于很低頻率的情況。

　　TX-KE系列MOSFET、IGBT驅(qū)動(dòng)器

　　變壓器隔離，采用調(diào)制技術(shù)，次級(jí)采用調(diào)制式自給電源，無(wú)需用戶提供隔離電源；PWM開(kāi)關(guān)信息通過(guò)調(diào)制傳遞到次級(jí)。工作頻率范圍寬，占空比可在0－100％之間。

IGBT驅(qū)動(dòng)器正常輸出波形的測(cè)試

　　帶保護(hù)功能的驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)板，用戶如要測(cè)試正常的靜態(tài)(不加主電情況下)輸出波形，需要注意以下幾點(diǎn)：

　　1、如果功率管IGBT或MOSFET已經(jīng)連接在電路中了，則加上驅(qū)動(dòng)電源和PWM輸入信號(hào)，就可以在輸出端用示波器看到相應(yīng)的輸出信號(hào)。

2、如果功率管沒(méi)有接，只是在做一個(gè)輸出測(cè)試，那么必須將應(yīng)接功率管集電極和發(fā)射極(或漏極和源極)的兩點(diǎn)予以短路才行。因?yàn)槿绻姌O或漏極懸空，那么驅(qū)動(dòng)器或驅(qū)動(dòng)板將認(rèn)為功率管處于短路狀態(tài)而啟動(dòng)內(nèi)部的保護(hù)機(jī)制，這時(shí)看到的將是驅(qū)動(dòng)器輸出的保護(hù)信號(hào)波形，無(wú)論是波形形狀還是周期都與輸入的PWM信號(hào)完全不同。

IGBT驅(qū)動(dòng)器短路保護(hù)功能的測(cè)試

　　IGBT在應(yīng)用中要解決的主要問(wèn)題就是如何在過(guò)流、短路和過(guò)壓的情況下對(duì)IGBT實(shí)行比較完善的保護(hù)。過(guò)流故障一般需要稍長(zhǎng)的時(shí)間才使電源過(guò)熱，因此對(duì)它的保護(hù)都由主控制板來(lái)解決。過(guò)壓一般發(fā)生在IGBT關(guān)斷時(shí)，較大的di/dt在寄生電感上產(chǎn)生了較高的電壓，這需要用緩沖電路來(lái)鉗制，或者適當(dāng)降低關(guān)斷的速率。短路故障發(fā)生后瞬時(shí)就會(huì)產(chǎn)生極大的電流，很快就會(huì)損壞IGBT，主控制板的過(guò)流保護(hù)根本來(lái)不及，必須由驅(qū)動(dòng)電路或驅(qū)動(dòng)器立刻加以保護(hù)。

　　因此驅(qū)動(dòng)器的短路保護(hù)功能設(shè)計(jì)的是否完善，對(duì)電源的安全運(yùn)行至關(guān)重要。拿到一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，使用前先測(cè)試一下它的短路保護(hù)功能是否完善，是很有必要的。本文介紹兩種測(cè)試方法。

　　1、第一種測(cè)試方法

　　圖中PWM信號(hào)送到驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)輸入端，故障后再啟動(dòng)電容Creset＝10nF，Dhv是高反壓快恢復(fù)管，限流電阻Rlimit＝10－100R，電容C＝10－470uF。示波器可在驅(qū)動(dòng)器的輸入和輸出端監(jiān)測(cè)。如果不接Creset，則驅(qū)動(dòng)器輸出端輸出的是約1ms的脈沖，也就是IGBT每1ms短路一次。考慮到有的IGBT在這種情況下時(shí)間長(zhǎng)了仍有可能過(guò)熱燒毀，接入10nF的Creset后，則為約12ms短路一次，保證了IGBT的安全。

　　過(guò)流動(dòng)作閾值設(shè)置電阻Rn的選取，請(qǐng)根據(jù)所試驅(qū)動(dòng)器說(shuō)明中的關(guān)于Rn的說(shuō)明和所試驗(yàn)IGBT的正向伏安特性曲線選取合適的阻值。

　　在單管電路的開(kāi)關(guān)電源中，接入適當(dāng)?shù)腃reset后，可以省去通常的短路信號(hào)反饋光耦，僅靠落木源驅(qū)動(dòng)器自身就能保證IGBT的安全運(yùn)行，這也是落木源產(chǎn)品的特點(diǎn)之一。

　　2、第二種測(cè)試方法

　　與第一種方法類(lèi)似，只是不讓IGBT始終保持短路，用手工來(lái)短路A、B兩點(diǎn)。這種短路試驗(yàn)比第一種更嚴(yán)酷，對(duì)驅(qū)動(dòng)器的要求也更高，因?yàn)槭止ざ搪罚豢赡芤幌陆訉?shí)，實(shí)際是一連串的通斷過(guò)程。落木源的驅(qū)動(dòng)器可以保證您的IGBT的安全。

　　注意：實(shí)驗(yàn)時(shí)一定注意人身安全，最好在工頻輸入處加一個(gè)隔離變壓器。
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