IGBT和MOSFET 器件的隔離驅動(dòng)技術(shù)

1 引言
    開(kāi)關(guān)電源中大功率器件驅動(dòng)電路的設計一向是電源領(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(MOSFET場(chǎng)效應管和IGBT絕緣柵雙極性大功率管等)，器件結構的不同，具體的驅動(dòng)要求和技術(shù)也大不。前者屬于電流控制器件，要求合適的電流波形來(lái)驅動(dòng)；后者屬于電場(chǎng)控制器件，要求的電壓來(lái)驅動(dòng)。本文只介紹后者的。
    MOSFET場(chǎng)效應管(以及IGBT絕緣柵雙極性大功率管等器件)的源-柵是絕緣的二氧化硅結構，直流電不能通過(guò)，因而低頻的動(dòng)態(tài)驅動(dòng)功率接近于零。但是柵一源構成了一個(gè)柵極電容Cgs，因而在高頻率的交替開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)的動(dòng)態(tài)驅動(dòng)功率。小功率MOSFET管的Cgs在10~100pF之內，對于大功率的絕緣柵功率器件，柵極電容Cgs較大，在1~100nF，因而較大的動(dòng)態(tài)驅動(dòng)功率。更漏極到柵極的米勒電容Cdg，使柵極驅動(dòng)功率往往是不可忽視的。
    因IGBT具有電流拖尾效應，在關(guān)斷時(shí)要求更好的抗干擾性，負壓驅動(dòng)。MOSFET速度比較快，關(guān)斷時(shí)可以沒(méi)有負壓，但在干擾較重時(shí)，負壓關(guān)斷對于提高可靠性很有好處。

2 隔離驅動(dòng)技術(shù)現狀
    為可靠驅動(dòng)絕緣柵器件，目前已有成熟電路。當驅動(dòng)信號與功率器件不隔離時(shí)，驅動(dòng)電路的設計比較簡(jiǎn)單，目前也有了許多優(yōu)秀的驅動(dòng)集成電路，如國際整流器公司的IR2110。當驅動(dòng)器的輸入端與輸出端電氣隔離時(shí)，有兩種途徑：采用光電耦合器或是脈沖變壓器來(lái)提供電氣隔離。
2.1 光電耦合器隔離的驅動(dòng)器
    光電耦合器的優(yōu)點(diǎn)是體積小巧，缺點(diǎn)是：① 反應較慢，因而具有較大的延遲時(shí)間(高速型光電耦合器也大于300ns)；②光電耦合器的輸出級隔離的輔助電源供電。

2.2 無(wú)源變壓器驅動(dòng)
    用脈沖變壓器隔離驅動(dòng)絕緣柵功率器件有無(wú)源、有源和自給電源驅動(dòng)三種方法。
    無(wú)源方法用變壓器次級的輸出直接驅動(dòng)絕緣柵器件，這種方法很簡(jiǎn)單，也不單獨的驅動(dòng)電源。缺點(diǎn)是輸出波形失真較大，絕緣柵功率器件的柵-源電容 較大。減小失真的辦法是將初級的輸人信號改為具有功率的大信號，相應地，脈沖變壓器也應取較大體積，但在大功率下，仍不令人滿(mǎn)意。另一缺點(diǎn)是當占空比變化較大時(shí)，輸出驅動(dòng)脈沖的正負幅值變化太大，導致工作不正常，只適用于占空比變化不大的場(chǎng)合。

2.3 有源變壓器驅動(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(lái)驅動(dòng)絕緣柵功率器件，當然驅動(dòng)波形較好，但是提供單獨的輔助電源供給放大器。而輔助電源不當，會(huì )引進(jìn)寄生的干擾。

2.4 調制型自給電源的變壓器隔離驅動(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，當然是不錯的方法。目前自給電源的產(chǎn)生有調制和分時(shí)兩種方法。
    調制技術(shù)是比較經(jīng)典的方法，即對PWM 驅動(dòng)信號進(jìn)行高頻(幾個(gè)兆赫)調制，并將調制信號加在隔離脈沖變壓器的初級，在次級通過(guò)直接整流得到自給電源，而原PWM調制信號則需解調取得。顯然，這種方法并不簡(jiǎn)單。調制式的另一缺點(diǎn)是PWM的解調要信號的延時(shí)。調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動(dòng)器
    分時(shí)技術(shù)是一種較新的技術(shù)，原理如上圖，將信號和能量的傳送采取分時(shí)進(jìn)行的方法，即在變壓器輸入PWM信號的上升和下降沿只傳遞PWM信息，在輸入信號的平頂階段傳遞驅動(dòng)所的能量。在PWM信號的上升和下降沿只傳遞信號，基本沒(méi)有能量傳輸，因而輸出的PWM脈沖的延時(shí)和畸變都很小，能獲得陡峭的驅動(dòng)輸出脈沖。分時(shí)型自給電源驅動(dòng)器的不足是用于低頻時(shí)變壓器的體積較大，此外自給能量的限制，驅動(dòng)超過(guò)300A/1200V的IGBT比較困難。

3 市場(chǎng)上的驅動(dòng)器產(chǎn)品簡(jiǎn)介
    當前市場(chǎng)上的成品驅動(dòng)器，按驅動(dòng)信號與被驅動(dòng)的絕緣柵器件的電氣關(guān)系來(lái)分，可分為直接驅動(dòng)和隔離驅動(dòng)兩種，其中隔離驅動(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輸出的驅動(dòng)信號不必與開(kāi)關(guān)管隔離，可以直接驅動(dòng)。較大的驅動(dòng)能力，可以加接一級放大器或是串上一個(gè)成品驅動(dòng)器。直接驅動(dòng)的成品驅動(dòng)器都采用薄膜工藝制成IC電路，調節電阻和較大的電容由外引腳接入。
    目前的這類(lèi)成品驅動(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，種類(lèi)繁多，本文不作具體介紹，讀者可查閱相關(guān)資料。

3.2 使用光電耦合器的隔離驅動(dòng)器
    隔離驅動(dòng)產(chǎn)品絕大部分使用光電耦合器來(lái)隔離輸人的驅動(dòng)信號和被驅動(dòng)的絕緣柵器件，采用厚膜或PCB工藝制成，部分阻容元件由引腳接入。這種產(chǎn)品主要用于IGBT的驅動(dòng)，因IGBT具有電流拖尾效應，光耦驅動(dòng)器都是負壓關(guān)斷。
    目前市售的光電耦合型驅動(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。KA系列驅動(dòng)器保護功能完善、工作頻率較高、用戶(hù)可調參數多、價(jià)格便宜，并能與多種其他類(lèi)型的驅動(dòng)器兼容。
    此類(lèi)產(chǎn)品，光電耦合器的速度限制，工作頻率都在50kHz以下(TX-KA的某些產(chǎn)品可達80K)。的優(yōu)點(diǎn)是，大部分具有過(guò)流保護功能，其過(guò)電流信號是從IGBT的管壓降中取得的；共同的缺點(diǎn)是一個(gè)或兩個(gè)獨立的輔助電源，因而使用較為麻煩。
    成本問(wèn)題，該類(lèi)產(chǎn)品價(jià)格稍高，只適用于在大功率電源中驅動(dòng)IGBT模塊，在中小功率領(lǐng)域難以推廣使用。

3.3 變壓器隔離。一路電源輸入，自帶DC-DC輔助電源的驅動(dòng)器
    目前有CONCEPT公司的2SD315A和SEMIKRON公司的SKHI22，使用兩個(gè)脈沖變壓器傳遞半橋驅動(dòng)信號，一路電源輸入，自帶一個(gè)DC-DC；電源提供驅動(dòng)所需的兩個(gè)輔助電源，輸出的驅動(dòng)信號質(zhì)量不錯，驅動(dòng)能力也很強，但結構，因而體積較大，價(jià)格不菲，只適用于大功率電源中。
    落木源公司也開(kāi)發(fā)了一款型號為KB101的變壓器隔離的驅動(dòng)器，可以工作在較高的頻率上，但是用戶(hù)提供輔助電源。

3.4 調制型自給電源的變壓器隔離驅動(dòng)器
    這類(lèi)產(chǎn)品，典型的如UNITRODE公司的UC3724/25集成電路對，其中UC3724與驅動(dòng)源相連，UC3725與被驅動(dòng)的絕緣柵器件相連，UC3724與UC3725由用戶(hù)接入一個(gè)脈沖變壓器。它采用的是高頻調制技術(shù)，在UC3724中將PWM信號調制到約1MHz的載波上，送到隔離脈沖變壓器的初級，次級輸出信號在UC3725中通過(guò)直接整流得到自給電源，通過(guò)解調取得原PWM信號，這種驅動(dòng)器集成化比較好，但載波頻率不夠高，因而總的延遲時(shí)間稍長(cháng)。

3.5 分時(shí)技術(shù)自給電源的變壓器隔離驅動(dòng)器
    這是一種新技術(shù)產(chǎn)品，如北京落木源電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的TX_KC、KD系列驅動(dòng)器，目前有適合單管、半橋、雙正激、同步整流和IGBT等近20種型號。在我們研制的20kW逆變焊機中項目中，功率器件的驅動(dòng)片就采用了TX-KD301半橋驅動(dòng)器，用該驅動(dòng)片驅動(dòng)200A/1200V IGBT，在應用中收到了效果。電路加載過(guò)程中波形正確、振蕩小，在重載下無(wú)畸變，使共態(tài)導通的大大降低，長(cháng)時(shí)間工作發(fā)熱量較小。該產(chǎn)品使用兩年來(lái)未發(fā)生故障。大大提高了產(chǎn)品的可靠性。
    與設計者自己搭接的驅動(dòng)電路相比，此類(lèi)驅動(dòng)器自身無(wú)需單獨的供電電源，關(guān)斷采用負壓，抗干擾能力強，驅動(dòng)延遲小，可在占空比5%～95%的范圍內工作，驅動(dòng)器的輸入信號與輸出的柵極驅動(dòng)脈沖是電氣隔離的，適用于多種電路拓撲，種類(lèi)較多，價(jià)格比較低廉，既有適合中大功率電源的，也有適用于小功率模塊電源的驅動(dòng)器，比較適用于隔離的MOS管驅動(dòng)。

4 結語(yǔ)
    開(kāi)關(guān)電源中功率管的驅動(dòng)對整個(gè)電源的正常工作有著(zhù)很大的作用，電源設計師往往要花費不少精力去設計或選擇成品驅動(dòng)器。以前市場(chǎng)上的隔離驅動(dòng)器都是用于驅動(dòng)大功率IGBT的，中小功率的MOSFET隔離驅動(dòng)器未見(jiàn)有產(chǎn)品出售，原因在于中小功率的電源不允許使用昂貴的驅動(dòng)組件�，F在，北京落木源電子有限公司不僅提供了多種具有保護功能的IGBT驅動(dòng)器，還提供了一系列雖然不具保護，但價(jià)格低廉的隔離驅動(dòng)器，了用戶(hù)的選擇余地。
    特別提及的是，在成品驅動(dòng)組件的使用中，許多應用細節，如輸入緩沖器的設備、柵極電阻的選擇、輸出引線(xiàn)的絞合等，以及產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中的各項具體要求，都引起充分的注意，否則很產(chǎn)生各類(lèi)驅動(dòng)問(wèn)題，從而使電源整機無(wú)法正常工作，甚至產(chǎn)生共態(tài)導通，燒壞器件。