IGBT和MOSFET 器件的隔離驅(qū)動技術(shù)

1 引言
    開關(guān)電源中大功率器件驅(qū)動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場效應管和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驅(qū)動；后者屬于電場控制器件，要求的電壓來驅(qū)動。本文只介紹后者的。
    MOSFET場效應管(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(jié)構(gòu)，直流電不能通過，因而低頻的動態(tài)驅(qū)動功率接近于零。但是柵一源構(gòu)成了一個柵極電容Cgs，因而在高頻率的交替開通和關(guān)斷時的動態(tài)驅(qū)動功率。小功率MOSFET管的Cgs在10~100pF之內(nèi)，對于大功率的絕緣柵功率器件，柵極電容Cgs較大，在1~100nF，因而較大的動態(tài)驅(qū)動功率。更漏極到柵極的米勒電容Cdg，使柵極驅(qū)動功率往往是不可忽視的。
    因IGBT具有電流拖尾效應，在關(guān)斷時要求更好的抗干擾性，負壓驅(qū)動。MOSFET速度比較快，關(guān)斷時可以沒有負壓，但在干擾較重時，負壓關(guān)斷對于提高可靠性很有好處。

2 隔離驅(qū)動技術(shù)現(xiàn)狀
    為可靠驅(qū)動絕緣柵器件，目前已有成熟電路。當驅(qū)動信號與功率器件不隔離時，驅(qū)動電路的設計比較簡單，目前也有了許多優(yōu)秀的驅(qū)動集成電路，如國際整流器公司的IR2110。當驅(qū)動器的輸入端與輸出端電氣隔離時，有兩種途徑：采用光電耦合器或是脈沖變壓器來提供電氣隔離。
2.1 光電耦合器隔離的驅(qū)動器
    光電耦合器的優(yōu)點是體積小巧，缺點是：① 反應較慢，因而具有較大的延遲時間(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 無源變壓器驅(qū)動
    用脈沖變壓器隔離驅(qū)動絕緣柵功率器件有無源、有源和自給電源驅(qū)動三種方法。
    無源方法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，也不單獨的驅(qū)動電源。缺點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，仍不令人滿意。另一缺點是當占空比變化較大時，輸出驅(qū)動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合。

2.3 有源變壓器驅(qū)動
    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，當然驅(qū)動波形較好，但是提供單獨的輔助電源供給放大器。而輔助電源不當，會引進寄生的干擾。

2.4 調(diào)制型自給電源的變壓器隔離驅(qū)動器
    采用自給電源技術(shù)，只用一個變壓器，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(diào)制和分時兩種方法。
    調(diào)制技術(shù)是比較經(jīng)典的方法，即對PWM 驅(qū)動信號進行高頻(幾個兆赫)調(diào)制，并將調(diào)制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)制信號則需解調(diào)取得。顯然，這種方法并不簡單。調(diào)制式的另一缺點是PWM的解調(diào)要信號的延時。調(diào)制方式適于傳遞較低頻率的PWM信號。

2.5 分時型自給電源的變壓器隔離驅(qū)動器
    分時技術(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進行的方法，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(qū)動所的能量。在PWM信號的上升和下降沿只傳遞信號，基本沒有能量傳輸，因而輸出的PWM脈沖的延時和畸變都很小，能獲得陡峭的驅(qū)動輸出脈沖。分時型自給電源驅(qū)動器的不足是用于低頻時變壓器的體積較大，此外自給能量的限制，驅(qū)動超過300A/1200V的IGBT比較困難。

3 市場上的驅(qū)動器產(chǎn)品簡介
    當前市場上的成品驅(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。

3.1 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)動信號不必與開關(guān)管隔離，可以直接驅(qū)動。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)動器
    隔離驅(qū)動產(chǎn)品絕大部分使用光電耦合器來隔離輸人的驅(qū)動信號和被驅(qū)動的絕緣柵器件，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，因IGBT具有電流拖尾效應，光耦驅(qū)動器都是負壓關(guān)斷。
    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。KA系列驅(qū)動器保護功能完善、工作頻率較高、用戶可調(diào)參數(shù)多、價格便宜，并能與多種其他類型的驅(qū)動器兼容。
    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80K)。的優(yōu)點是，大部分具有過流保護功能，其過電流信號是從IGBT的管壓降中取得的；共同的缺點是一個或兩個獨立的輔助電源，因而使用較為麻煩。
    成本問題，該類產(chǎn)品價格稍高，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。

3.3 變壓器隔離。一路電源輸入，自帶DC-DC輔助電源的驅(qū)動器
    目前有CONCEPT公司的2SD315A和SEMIKRON公司的SKHI22，使用兩個脈沖變壓器傳遞半橋驅(qū)動信號，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，但結(jié)構(gòu)，因而體積較大，價格不菲，只適用于大功率電源中。
    落木源公司也開發(fā)了一款型號為KB101的變壓器隔離的驅(qū)動器，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)動器
    這類產(chǎn)品，典型的如UNITRODE公司的UC3724/25集成電路對，其中UC3724與驅(qū)動源相連，UC3725與被驅(qū)動的絕緣柵器件相連，UC3724與UC3725由用戶接入一個脈沖變壓器。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，這種驅(qū)動器集成化比較好，但載波頻率不夠高，因而總的延遲時間稍長。

3.5 分時技術(shù)自給電源的變壓器隔離驅(qū)動器
    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(qū)動片就采用了TX-KD301半橋驅(qū)動器，用該驅(qū)動片驅(qū)動200A/1200V IGBT，在應用中收到了效果。電路加載過程中波形正確、振蕩小，在重載下無畸變，使共態(tài)導通的大大降低，長時間工作發(fā)熱量較小。該產(chǎn)品使用兩年來未發(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(qū)動電路相比，此類驅(qū)動器自身無需單獨的供電電源，關(guān)斷采用負壓，抗干擾能力強，驅(qū)動延遲小，可在占空比5%～95%的范圍內(nèi)工作，驅(qū)動器的輸入信號與輸出的柵極驅(qū)動脈沖是電氣隔離的，適用于多種電路拓撲，種類較多，價格比較低廉，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)動器，比較適用于隔離的MOS管驅(qū)動。

4 結(jié)語
    開關(guān)電源中功率管的驅(qū)動對整個電源的正常工作有著很大的作用，電源設計師往往要花費不少精力去設計或選擇成品驅(qū)動器。以前市場上的隔離驅(qū)動器都是用于驅(qū)動大功率IGBT的，中小功率的MOSFET隔離驅(qū)動器未見有產(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)動組件。現(xiàn)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(qū)動器，還提供了一系列雖然不具保護，但價格低廉的隔離驅(qū)動器，了用戶的選擇余地。
    特別提及的是，在成品驅(qū)動組件的使用中，許多應用細節(jié)，如輸入緩沖器的設備、柵極電阻的選擇、輸出引線的絞合等，以及產(chǎn)品說明書中的各項具體要求，都引起充分的注意，否則很產(chǎn)生各類驅(qū)動問題，從而使電源整機無法正常工作，甚至產(chǎn)生共態(tài)導通，燒壞器件。