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IGBT和MOSFET器件的隔离驱动技术现况与产品

作者:海飞乐技术 时间:2017-04-10 10:49

1 引言
    开关电源中大功率器件驱动电路的设计一向是电源领域的关键技术之一。普通大功率三极管和绝缘栅功率器件(包括MOSFET场效应管和IGBT绝缘栅双极性大功率管等),由于器件结构的不同,具体的驱动要求和技术也大不相同。前者属于电流控制器件,要求合适的电流波形来驱动;后者属于电场控制器件,要求一定的电压来驱动。本文只介绍后者的情况。
    MOSFET场效应管(以及IGBT绝缘栅双极性大功率管等器件)的源-栅之间是绝缘的二氧化硅结构,直流电不能通过,因而低频的动态驱动功率接近于零。但是栅一源之间构成了一个栅极电容Cgs,因而在高频率的交替开通和关断时需要一定的动态驱动功率。小功率MOSFET管的Cgs一般在10~100pF之内,对于大功率的绝缘栅功率器件,由于栅极电容Cgs较大,一般在1~100nF之间,因而需要较大的动态驱动功率。更由于漏极到栅极的米勒电容Cdg,使栅极驱动功率往往是不可忽视的。
    因IGBT具有电流拖尾效应,在关断时要求更好的抗干扰性,需要负压驱动。MOSFET速度比较快,关断时可以没有负压,但在干扰较重时,负压关断对于提高可靠性很有好处。
2 隔离驱动技术现状
    为可靠驱动绝缘栅器件,目前已有很多成熟电路。当驱动信号与功率器件不需要隔离时,驱动电路的设计比较简单,目前也有了许多优秀的驱动集成电路,如国际整流器公司的IR2110。当需要驱动器的输入端与输出端电气隔离时,一般有两种途径:采用光电耦合器或是利用脉冲变压器来提供电气隔离。
2.1 光电耦合器隔离的驱动器
    光电耦合器的优点是体积小巧,缺点是:① 反应较慢,因而具有较大的延迟时间(高速型光电耦合器一般也大于300ns);②光电耦合器的输出级需要隔离的辅助电源供电。
 
2.2 无源变压器驱动
    用脉冲变压器隔离驱动绝缘栅功率器件有无源、有源和自给电源驱动三种方法。
    无源方法就是用变压器次级的输出直接驱动绝缘栅器件,这种方法很简单,也不需要单独的驱动电源。缺点是输出波形失真较大,因为绝缘栅功率器件的栅-源电容 一般较大。减小失真的办法是将初级的输人信号改为具有一定功率的大信号,相应地,脉冲变压器也应取较大体积,但在大功率情况下,一般仍不令人满意。另一缺点是当占空比变化较大时,输出驱动脉冲的正负幅值变化太大,可能导致工作不正常,因此只适用于占空比变化不大的场合。
 
2.3 有源变压器驱动
    有源方法中的变压器只提供隔离的信号,在次级另有整形放大电路来驱动绝缘栅功率器件,当然驱动波形较好,但是需要另外提供单独的辅助电源供给放大器。而辅助电源如果处理不当,可能会引进寄生的干扰。
 
2.4 调制型自给电源的变压器隔离驱动器
    采用自给电源技术,只用一个变压器,既省却了辅助电源又能得到较快的速度,当然是不错的方法。目前自给电源的产生有调制和分时两种方法。
    调制技术是比较经典的方法,即对PWM 驱动信号进行高频(几个兆赫以上)调制,并将调制信号加在隔离脉冲变压器的初级,在次级通过直接整流得到自给电源,而原PWM调制信号则需经过解调取得。显然,这种方法并不简单。调制式的另一缺点是PWM的解调要增加信号的延时。调制方式适于传递较低频率的PWM信号。
 
2.5 分时型自给电源的变压器隔离驱动器
    分时技术是一种较新的技术,原理如上图所示,将信号和能量的传送采取分时进行的方法,即在变压器输入PWM信号的上升和下降沿只传递PWM信息,在输入信号的平顶阶段传递驱动所需要的能量。由于在PWM信号的上升和下降沿只传递信号,基本没有能量传输,因而输出的PWM脉冲的延时和畸变都很小,能获得陡峭的驱动输出脉冲。分时型自给电源驱动器的不足是用于低频时变压器的体积较大,此外由于自给能量的限制,驱动超过300A/1200V的IGBT比较困难。
3 市场上的驱动器产品简介
    当前市场上的成品驱动器,按驱动信号与被驱动的绝缘栅器件的电气关系来分,可分为直接驱动和隔离驱动两种,其中隔离驱动的隔离元件有光电耦合器和脉冲变压器两种。
 
3.1 不隔离的直接驱动器
    在Boost、全波、正激或反激等电路中,功率开关管的源极位于输入电源的下轨,PWM IC输出的驱动信号一般不必与开关管隔离,可以直接驱动。如果需要较大的驱动能力,可以加接一级放大器或是串上一个成品驱动器。直接驱动的成品驱动器一般都采用薄膜工艺制成IC电路,调节电阻和较大的电容由外引脚接入。
    目前的这类成品驱动器种类不少,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,种类繁多,本文不作具体介绍,读者可查阅相关资料。
 
3.2 使用光电耦合器的隔离驱动器
    隔离驱动产品绝大部分使用光电耦合器来隔离输人的驱动信号和被驱动的绝缘栅器件,采用厚膜或PCB工艺制成,部分阻容元件由引脚接入。这种产品主要用于IGBT的驱动,因IGBT具有电流拖尾效应,所以光耦驱动器都是负压关断。
    目前市售的光电耦合型驱动器产品,主要有FUJI公司的EXB8XX系列,MITSUBISHI公司的M579XX系列,英达公司的HR065和西安爱帕克电力电子有限公司的HL402B等,以及北京落木源电子技术有限公司的TX-KA系列。KA系列驱动器保护功能完善、工作频率较高、用户可调参数多、价格便宜,并能与多种其他类型的驱动器兼容。
    此类产品,由于光电耦合器的速度限制,一般工作频率都在50kHz以下(TX-KA的某些产品可达80K)。它们的优点是,大部分具有过流保护功能,其过电流信号是从IGBT的管压降中取得的;共同的缺点是需要一个或两个独立的辅助电源,因而使用较为麻烦。
    由于成本问题,该类产品价格稍高,因此只适用于在大功率电源中驱动IGBT模块,在中小功率领域难以推广使用。
 
3.3 变压器隔离。一路电源输入,自带DC-DC辅助电源的驱动器
    目前有CONCEPT公司的2SD315A和SEMIKRON公司的SKHI22,使用两个脉冲变压器传递半桥驱动信号,需要一路电源输入,自带一个DC-DC;电源提供驱动所需的两个辅助电源,输出的驱动信号质量不错,驱动能力也很强,但由于结构复杂,因而体积较大,价格不菲,只适用于大功率电源中。
    落木源公司也开发了一款型号为KB101的变压器隔离的驱动器,可以工作在较高的频率上,但是需要用户提供辅助电源。
 
3.4 调制型自给电源的变压器隔离驱动器
    这类产品,典型的如UNITRODE公司的UC3724/25集成电路对,其中UC3724与驱动源相连,UC3725与被驱动的绝缘栅器件相连,UC3724与UC3725之间由用户接入一个脉冲变压器。它采用的是高频调制技术,在UC3724中将PWM信号调制到约1MHz的载波上,送到隔离脉冲变压器的初级,次级输出信号在UC3725中通过直接整流得到自给电源,通过解调取得原PWM信号,这种驱动器集成化比较好,但由于载波频率不够高,因而总的延迟时间稍长。
 
3.5 分时技术自给电源的变压器隔离驱动器
    这是一种新技术产品,如北京落木源电子技术有限公司生产的TX_KC、KD系列驱动器,目前有适合单管、半桥、双正激、同步整流和IGBT等近20种型号。在我们研制的20kW逆变焊机中项目中,功率器件的驱动片就采用了TX-KD301半桥驱动器,用该驱动片驱动200A/1200V IGBT,在实际应用中收到了良好效果。电路加载过程中波形正确、振荡小,在重载下无畸变,使共态导通的可能大大降低,长时间工作发热量较小。该产品使用两年来未发生任何故障。大大提高了产品的可靠性。
    与设计者自己搭接的驱动电路相比,此类驱动器自身无需单独的供电电源,关断采用负压,抗干扰能力强,驱动延迟小,可在占空比5%~95%的范围内工作,驱动器的输入信号与输出的栅极驱动脉冲是电气隔离的,因此适用于多种电路拓扑,种类较多,价格比较低廉,既有适合中大功率电源的,也有适用于小功率模块电源的驱动器,因此比较适用于需要隔离的MOS管驱动。
4 结语
    开关电源中功率管的驱动对整个电源的正常工作有着很大的作用,因此电源设计师往往要花费不少精力去设计或选择成品驱动器。以前市场上的隔离驱动器都是用于驱动大功率IGBT的,中小功率的MOSFET隔离驱动器未见有产品出售,原因在于中小功率的电源不允许使用昂贵的驱动组件。现在,北京落木源电子有限公司不仅提供了多种具有保护功能的IGBT驱动器,还提供了一系列虽然不具保护,但价格低廉的隔离驱动器,增加了用户的选择余地。
    需要特别提及的是,在成品驱动组件的使用中,许多应用细节,如输入缓冲器的设备、栅极电阻的选择、输出引线的绞合等,以及产品说明书中的各项具体要求,都必须引起充分的注意,否则很可能产生各类驱动问题,从而使电源整机无法正常工作,甚至产生共态导通,烧坏器件。



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