IGBT和MOSFET 器件的隔離驅(qū)動(dòng)技術(shù)

1 引言
    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(MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管和IGBT絕緣柵雙極性大功率管等)，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。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，要求的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)。本文只介紹后者的。
    MOSFET場(chǎng)效應(yīng)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(jié)構(gòu)，直流電不能通過(guò)，因而低頻的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)功率接近于零。但是柵一源構(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)的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)功率。小功率MOSFET管的Cgs在10~100pF之內(nèi)，對(duì)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(qū)動(dòng)功率。更漏極到柵極的米勒電容Cdg，使柵極驅(qū)動(dòng)功率往往是不可忽視的。
    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，負(fù)壓驅(qū)動(dòng)。MOSFET速度比較快，關(guān)斷時(shí)可以沒(méi)有負(fù)壓，但在干擾較重時(shí)，負(fù)壓關(guān)斷對(duì)于提高可靠性很有好處。

2 隔離驅(qū)動(dòng)技術(shù)現(xiàn)狀
    為可靠驅(qū)動(dòng)絕緣柵器件，目前已有成熟電路。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)與功率器件不隔離時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，目前也有了許多優(yōu)秀的驅(qū)動(dòng)集成電路，如國(guó)際整流器公司的IR2110。當(dāng)驅(qū)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(qū)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(yīng)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(jí)隔離的輔助電源供電。

2.2 無(wú)源變壓器驅(qū)動(dòng)
    用脈沖變壓器隔離驅(qū)動(dòng)絕緣柵功率器件有無(wú)源、有源和自給電源驅(qū)動(dòng)三種方法。
    無(wú)源方法用變壓器次級(jí)的輸出直接驅(qū)動(dòng)絕緣柵器件，這種方法很簡(jiǎn)單，也不單獨(dú)的驅(qū)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(jí)的輸人信號(hào)改為具有功率的大信號(hào)，相應(yīng)地，脈沖變壓器也應(yīng)取較大體積，但在大功率下，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，導(dǎo)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(qū)動(dòng)
    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)波形較好，但是提供單獨(dú)的輔助電源供給放大器。而輔助電源不當(dāng)，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)制和分時(shí)兩種方法。
    調(diào)制技術(shù)是比較經(jīng)典的方法，即對(duì)PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行高頻(幾個(gè)兆赫)調(diào)制，并將調(diào)制信號(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)則需解調(diào)取得。顯然，這種方法并不簡(jiǎn)單。調(diào)制式的另一缺點(diǎn)是PWM的解調(diào)要信號(hào)的延時(shí)。調(diào)制方式適于傳遞較低頻率的PWM信號(hào)。

2.5 分時(shí)型自給電源的變壓器隔離驅(qū)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(hào)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(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)所的能量。在PWM信號(hào)的上升和下降沿只傳遞信號(hào)，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(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，此外自給能量的限制，驅(qū)動(dòng)超過(guò)300A/1200V的IGBT比較困難。

3 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。

3.1 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)不必與開(kāi)關(guān)管隔離，可以直接驅(qū)動(dòng)。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(qū)動(dòng)器
    隔離驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品絕大部分使用光電耦合器來(lái)隔離輸人的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和被驅(qū)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(qū)動(dòng)，因IGBT具有電流拖尾效應(yīng)，光耦驅(qū)動(dòng)器都是負(fù)壓關(guān)斷。
    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。KA系列驅(qū)動(dòng)器保護(hù)功能完善、工作頻率較高、用戶可調(diào)參數(shù)多、價(jià)格便宜，并能與多種其他類型的驅(qū)動(dòng)器兼容。
    此類產(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(dá)80K)。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)是一個(gè)或兩個(gè)獨(dú)立的輔助電源，因而使用較為麻煩。
    成本問(wèn)題，該類產(chǎn)品價(jià)格稍高，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。

3.3 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，使用兩個(gè)脈沖變壓器傳遞半橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)，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)，但結(jié)構(gòu)，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(hào)為KB101的變壓器隔離的驅(qū)動(dòng)器，可以工作在較高的頻率上，但是用戶提供輔助電源。

3.4 調(diào)制型自給電源的變壓器隔離驅(qū)動(dòng)器
    這類產(chǎn)品，典型的如UNITRODE公司的UC3724/25集成電路對(duì)，其中UC3724與驅(qū)動(dòng)源相連，UC3725與被驅(qū)動(dòng)的絕緣柵器件相連，UC3724與UC3725由用戶接入一個(gè)脈沖變壓器。它采用的是高頻調(diào)制技術(shù)，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)，這種驅(qū)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(zhǎng)。

3.5 分時(shí)技術(shù)自給電源的變壓器隔離驅(qū)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(qū)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(hào)。在我們研制的20kW逆變焊機(jī)中項(xiàng)目中，功率器件的驅(qū)動(dòng)片就采用了TX-KD301半橋驅(qū)動(dòng)器，用該驅(qū)動(dòng)片驅(qū)動(dòng)200A/1200V IGBT，在應(yīng)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(dǎo)通的大大降低，長(zhǎng)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(shè)計(jì)者自己搭接的驅(qū)動(dòng)電路相比，此類驅(qū)動(dòng)器自身無(wú)需單獨(dú)的供電電源，關(guān)斷采用負(fù)壓，抗干擾能力強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)延遲小，可在占空比5%～95%的范圍內(nèi)工作，驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)與輸出的柵極驅(qū)動(dòng)脈沖是電氣隔離的，適用于多種電路拓?fù)�，種類較多，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(qū)動(dòng)器，比較適用于隔離的MOS管驅(qū)動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)
    開(kāi)關(guān)電源中功率管的驅(qū)動(dòng)對(duì)整個(gè)電源的正常工作有著很大的作用，電源設(shè)計(jì)師往往要花費(fèi)不少精力去設(shè)計(jì)或選擇成品驅(qū)動(dòng)器。以前市場(chǎng)上的隔離驅(qū)動(dòng)器都是用于驅(qū)動(dòng)大功率IGBT的，中小功率的MOSFET隔離驅(qū)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(qū)動(dòng)組件�，F(xiàn)在，北京落木源電子有限公司不僅提供了多種具有保護(hù)功能的IGBT驅(qū)動(dòng)器，還提供了一系列雖然不具保護(hù)，但價(jià)格低廉的隔離驅(qū)動(dòng)器，了用戶的選擇余地。
    特別提及的是，在成品驅(qū)動(dòng)組件的使用中，許多應(yīng)用細(xì)節(jié)，如輸入緩沖器的設(shè)備、柵極電阻的選擇、輸出引線的絞合等，以及產(chǎn)品說(shuō)明書中的各項(xiàng)具體要求，都引起充分的注意，否則很產(chǎn)生各類驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，從而使電源整機(jī)無(wú)法正常工作，甚至產(chǎn)生共態(tài)導(dǎo)通，燒壞器件。