開關(guān)電源中大功率器件驅(qū)動電路的設(shè)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(包括VMOS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;后者屬于電場控制器件,要求一定的電壓來驅(qū)動。本文只介紹后者的情況。
VMOS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,因而低頻的靜態(tài)驅(qū)動功率接近于零。但是柵極和源極之間構(gòu)成了一個柵極電容Cgs，因而在高頻率的交替開通和關(guān)斷時需要一定的動態(tài)驅(qū)動功率。小功率VMOS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，在1-100nF,甚至更大,因而需要較大的動態(tài)驅(qū)動功率。更由于漏極到柵極的密勒電容Cdg,柵極驅(qū)動功率是不可忽視的。
為可靠驅(qū)動絕緣柵器件，目前已有很多成熟電路。當(dāng)驅(qū)動信號與功率器件不需要隔離時，驅(qū)動電路的設(shè)計是比較簡單的，目前也有了一些優(yōu)秀的驅(qū)動集成電路，如IR2110。當(dāng)需要驅(qū)動器的輸入端與輸出端電氣隔離時，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。
光電耦合器的優(yōu)點是體積小巧,缺點是：A.反應(yīng)較慢，因而具有較大的延遲時間(高速型光耦一般也大于500ns)；B.光電耦合器的輸出級需要隔離的輔助電源供電。
用脈沖變壓器隔離驅(qū)動絕緣柵功率器件有三種方法：無源、有源和自給電源驅(qū)動。
無源方法就是用變壓器次級的輸出直接驅(qū)動絕緣柵器件，這種方法很簡單，也不需要單獨的驅(qū)動電源，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。
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)動絕緣柵功率器件，當(dāng)然驅(qū)動波形好，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)，可能會引進(jìn)寄生的干擾。
自給電源方法的已有技術(shù)是對PWM驅(qū)動信號進(jìn)行高頻(1MHz以上)調(diào)制，該信號加在隔離脈沖變壓器的初級，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, 價格當(dāng)然也較高。調(diào)制的優(yōu)點是可以傳遞的占空比不受限制。
分時式自給電源是北京落木源公司的創(chuàng)新技術(shù)，其特點是變壓器在輸入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(qū)動所需要的能量，因而波形失真很小。這種技術(shù)的缺點是占空比一般只能達(dá)到5－95％。
市場上的驅(qū)動器產(chǎn)品簡介
當(dāng)前市場上的成品驅(qū)動器,按驅(qū)動信號與被驅(qū)動的絕緣柵器件的電氣關(guān)系來分,可分為直接驅(qū)動和隔離驅(qū)動兩種,其中隔離驅(qū)動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)動器
在Boost、全波、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)動信號一般不必與開關(guān)管隔離，可以直接驅(qū)動。如果需要較大的驅(qū)動能力,可以加接一級放大器或是串上一個成品驅(qū)動器。直接驅(qū)動的成品驅(qū)動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，等等，種類繁多，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)動器
隔離驅(qū)動產(chǎn)品絕大部分是使用光電耦合器來隔離輸入的驅(qū)動信號和被驅(qū)動的絕緣柵器件，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)動器保護(hù)功能完善、工作頻率高、價格便宜，并能與多種其它類型的驅(qū)動器兼容。
此類產(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)點是，大部分具有過流保護(hù)功能，其過電流信號是從IGBT的管壓降中取得的；共同的缺點是需要一個或兩個獨立的輔助電源，因而使用較為麻煩。
由于成本問題，該類產(chǎn)品價格稍高，因此只適用于在大功率電源中驅(qū)動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)動器
目前有CONCEPT公司的２SD315A和SEMIKRON公司的SKHI2２等，使用兩個脈沖變壓器傳遞半橋驅(qū)動信號，需要一路電源輸入，自帶一個DC/DC電源提供驅(qū)動所需的兩個輔助電源．輸出的驅(qū)動信號質(zhì)量不錯，驅(qū)動能力也很強(qiáng)，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因而體積較大，價格不菲，只適用于特大功率電源中。上述兩種驅(qū)動板的信號傳遞采用的是調(diào)制技術(shù)。
北京落木源公司也開發(fā)了一款變壓器隔離的驅(qū)動器，型號為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)動器
調(diào)制式自給電源驅(qū)動器，采用變壓器進(jìn)行電氣隔離，通過載頻傳遞驅(qū)動所需要的能量，通過調(diào)制信號傳遞PWM信息，因此可以通過0－100％占空比的PWM信號。目前的許多驅(qū)動板產(chǎn)品都采用這種技術(shù)，如西門康的SKHI27等。
單片式的調(diào)制驅(qū)動器，目前國外還未見有產(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，其中3724與驅(qū)動源相連，3725與被驅(qū)動的絕緣柵器件相連，3724與3725之間由用戶接入一個脈沖變壓器，在UC3724中將PWM信號調(diào)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中通過直接整流得到自給電源，通過解調(diào)取得原PWM信號。
國內(nèi)的單片式調(diào)制驅(qū)動器，有北京落木源的TX-KE系列驅(qū)動器。
調(diào)制驅(qū)動器，除無需用戶提供輔助電源外，還具有隔離電壓高的特點，但是價格較高。
變壓器隔離、分時式自給電源驅(qū)動器
分時式自給電源驅(qū)動器產(chǎn)品的優(yōu)點是：價格便宜，大中小功率的電源都可應(yīng)用；驅(qū)動器自身不需要單獨的供電電源，簡化了電路；輸出驅(qū)動脈沖的延遲很少，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。
分時式自給電源驅(qū)動器的缺點是：當(dāng)工作頻率較低時變壓器的體積較大，厚膜化困難，由于自給電源提供的能量有限、難以驅(qū)動300A/1200V以上的IGBT。
TX系列驅(qū)動器介紹
TX-KA系列IGBT驅(qū)動器
采用高速光電耦合器隔離，保護(hù)措施比較完備，具有信號封鎖功能，可以最大限度地保護(hù)IGBT。其中多個型號與國外產(chǎn)品兼容。KA102具有完善的三段式短路保護(hù)，可以驅(qū)動2000A/1700V的IGBT。
TX-KB系列IGBT驅(qū)動器
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，具有信號封鎖功能。
TX-KC系列IGBT驅(qū)動器
保護(hù)功能比較完善，具有信號封鎖功能，采用變壓器隔離，次級采用分時自給電源，無需用戶提供隔離電源。
TX-KD系列IGBT驅(qū)動器
種類較多，采用變壓器隔離，次級采用分時自給電源，占空比可達(dá)5-95%，使用方便，價格較低廉，能驅(qū)動各種單管和半橋、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)動器
變壓器隔離，采用調(diào)制技術(shù)，次級采用調(diào)制式自給電源，無需用戶提供隔離電源；PWM開關(guān)信息通過調(diào)制傳遞到次級。工作頻率范圍寬，占空比可在0－100％之間。
IGBT驅(qū)動器正常輸出波形的測試
帶保護(hù)功能的驅(qū)動器和驅(qū)動板，用戶如要測試正常的靜態(tài)(不加主電情況下)輸出波形，需要注意以下幾點：
1、如果功率管IGBT或MOSFET已經(jīng)連接在電路中了，則加上驅(qū)動電源和PWM輸入信號，就可以在輸出端用示波器看到相應(yīng)的輸出信號。
2、如果功率管沒有接，只是在做一個輸出測試，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)的兩點予以短路才行。因為如果集電極或漏極懸空，那么驅(qū)動器或驅(qū)動板將認(rèn)為功率管處于短路狀態(tài)而啟動內(nèi)部的保護(hù)機(jī)制，這時看到的將是驅(qū)動器輸出的保護(hù)信號波形，無論是波形形狀還是周期都與輸入的PWM信號完全不同。
IGBT驅(qū)動器短路保護(hù)功能的測試
IGBT在應(yīng)用中要解決的主要問題就是如何在過流、短路和過壓的情況下對IGBT實行比較完善的保護(hù)。過流故障一般需要稍長的時間才使電源過熱，因此對它的保護(hù)都由主控制板來解決。過壓一般發(fā)生在IGBT關(guān)斷時，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)生后瞬時就會產(chǎn)生極大的電流，很快就會損壞IGBT，主控制板的過流保護(hù)根本來不及，必須由驅(qū)動電路或驅(qū)動器立刻加以保護(hù)。
因此驅(qū)動器的短路保護(hù)功能設(shè)計的是否完善，對電源的安全運行至關(guān)重要。拿到一個驅(qū)動電路，使用前先測試一下它的短路保護(hù)功能是否完善，是很有必要的。本文介紹兩種測試方法。
1、第一種測試方法
圖中PWM信號送到驅(qū)動器的信號輸入端，故障后再啟動電容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)動器的輸入和輸出端監(jiān)測。如果不接Creset，則驅(qū)動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在這種情況下時間長了仍有可能過熱燒毀，接入10nF的Creset后，則為約12ms短路一次，保證了IGBT的安全。
過流動作閾值設(shè)置電阻Rn的選取，請根據(jù)所試驅(qū)動器說明中的關(guān)于Rn的說明和所試驗IGBT的正向伏安特性曲線選取合適的阻值。
在單管電路的開關(guān)電源中，接入適當(dāng)?shù)腃reset后，可以省去通常的短路信號反饋光耦，僅靠落木源驅(qū)動器自身就能保證IGBT的安全運行，這也是落木源產(chǎn)品的特點之一。
2、第二種測試方法
與第一種方法類似，只是不讓IGBT始終保持短路，用手工來短路A、B兩點。這種短路試驗比第一種更嚴(yán)酷，對驅(qū)動器的要求也更高，因為手工短路，不可能一下接實，實際是一連串的通斷過程。落木源的驅(qū)動器可以保證您的IGBT的安全。
注意：實驗時一定注意人身安全，最好在工頻輸入處加一個隔離變壓器。
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