功率開關(guān)MOS管器件的驅(qū)動電路是什么原理？
信息來源：本站 日期：2017-07-05
引言本文
功率開關(guān)器件在電力電子設(shè)備中占領(lǐng)著中心位置，它的牢靠工作是整個安裝正常運轉(zhuǎn)的根本條件。功率開關(guān)器件的驅(qū)動電路是主電路與控制電路之間的接口，是電力電子安裝的重要局部。它對整個設(shè)備的性能有很大的影響，其作用是將控制回路輸出的控制脈沖放大到足以驅(qū)動功率開關(guān)器件。簡而言之，驅(qū)動電路的根本任務(wù)就是將控制電路傳來的信號，轉(zhuǎn)換為加在器件控制端和公共端之間的能夠使其導通和關(guān)斷的信號。
同樣的mos管功率器件，采用不同的驅(qū)動電路將得到不同的開關(guān)特性。采用性能良好的驅(qū)動電路能夠使功率開關(guān)器件工作在比擬理想的開關(guān)狀態(tài)， 同時縮短開關(guān)時間，減小開關(guān)損耗，對安裝的運轉(zhuǎn)效率，牢靠性和平安性都有重要的意義。因而驅(qū)動電路的優(yōu)劣直接影響主電路的性能，驅(qū)動電路的合理化設(shè)計顯得越來越重要。晶閘管體積小，重量輕，效率高，壽命長，運用便當，能夠便當?shù)耐Ｖ拐骱湍孀儯夷軌蛟诓桓膭与娐窐?gòu)造的前提下，改動整流或逆變電流的大小。IGBT 是 mosFET 和 GTR的復合器件，它具有開關(guān)速度快、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動功率小和驅(qū)動電路簡單的特性，又具有通態(tài)壓降小、耐壓高和接受電流大等優(yōu)點。IGBT作為主流的功率輸出器件， 特別是在大功率的場所，曾經(jīng)被普遍的應(yīng)用于各個范疇。
mos管開關(guān)器件理想的驅(qū)動電路應(yīng)滿足以下請求：
(1)功率開關(guān)管開通時，驅(qū)動電路可以提供快速上升的基極電流，使得開啟時有足夠的驅(qū)動功率，從而減小開通損耗。
(2)開關(guān)管導通期間，mos驅(qū)動電路提供的基極電流在任何負載狀況下都能保證功率管處于飽和導通狀態(tài)，保證比擬低的導通損耗。為減小存儲時間，器件關(guān)斷前應(yīng)處于臨界飽和狀態(tài)。
(3)關(guān)斷時，驅(qū)動電路應(yīng)提供足夠的反向基極驅(qū)動，以疾速的抽出基區(qū)的剩余載流子，減小存儲時間; 并加反偏截止電壓，使集電極電流疾速降落以減小降落時間。當然，晶閘管的關(guān)斷主要還是靠反向陽極壓降來完成關(guān)斷的。
目前來說，關(guān)于晶閘管的驅(qū)動用的比擬多的只是經(jīng)過變壓器或者光耦隔離來把低壓端與高壓端隔開，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路來驅(qū)動晶閘管的導通。而關(guān)于 IGBT來說目前用的較多的是 IGBT 的驅(qū)動模塊，也有集成了 IGBT、 系統(tǒng)自維護、 自診斷等各個功用模塊的 IPM。
本文針對我們所用到的晶閘管，設(shè)計實驗驅(qū)動電路，并停止實考證明了它能夠驅(qū)動晶閘管。而關(guān)于 IGBT的驅(qū)動，本文主要引見了目前主要的幾種 IGBT 的驅(qū)動方式，以及與它們相對應(yīng)的驅(qū)動電路，并對最常用的光耦隔離的驅(qū)動方式停止了仿真實驗。
2.晶閘管驅(qū)動電路的研討 普通來說晶閘管的工作狀況是：
(1)晶閘管接受反向陽極電壓時，不管門極接受何種電壓，晶閘管都處于關(guān)斷狀態(tài)。
(2)晶閘管接受正向陽極電壓時，僅在門極接受正向電壓的狀況下晶閘管才導通。
(3)晶閘管在導通狀況下，只需有一定的正向陽極電壓，不管門極電壓如何，晶閘管堅持導通，即晶閘管導通后，門極失去作用。 (4)晶閘管在導通狀況下，當主回路電壓(或電流)減小到接近于零時，晶閘管關(guān)斷。我們選用的是晶閘管是 TYN1025，它的耐壓是600 到 1000V，電流最大到達 25A。它所需求的門級驅(qū)動電壓是 10 到 20V，驅(qū)動電流是 4 到 40mA。而它的維持電流是 50mA，擎住電流是 90mA。無論是 DSP 還是 CPLD 所發(fā)出的觸發(fā)信號的幅值只要 5V。首先，先把只要 5V 的幅值轉(zhuǎn)換成 24V，然后經(jīng)過一個 2：1 的隔離變壓器把 24V 的觸發(fā)信號轉(zhuǎn)換成 12V 的觸發(fā)信號，同時完成了上下壓隔離的功用。
實驗電路的設(shè)計與剖析
實驗設(shè)計總電路圖如下圖 1 所示首先是升壓電路，由于后級的隔離變壓器電路中的 MOS 管器件需求 15V 的觸發(fā)信號，所以，需求先把幅值 5V 的觸發(fā)信號轉(zhuǎn)成 15V 的觸發(fā)信號，經(jīng)過 MC14504 把 5V 的信號， 轉(zhuǎn)換成為 15V的信號，然后再經(jīng)過 CD4050 對輸出的 15V 驅(qū)動信號整形， 實驗的波形圖如圖 3 所示， 通道 2 接的是 5V 輸入信號，通道 1 接的是輸出的 15V 的觸發(fā)信號。
第二局部是隔離變壓器電路，實驗電路圖如圖 4所示，該電路的主要功用是：把 15V 的觸發(fā)信號，轉(zhuǎn)換成為 12V 的觸發(fā)信號去觸發(fā)后面的晶閘管的導通，并且做到 15V 的觸發(fā)信號與后級之距離。
該電路的工作原理是：由于 MOS 管 IRF640 的驅(qū)動電壓為 15V，所以，首先是在 J1 處接入 15V 的方波信號，經(jīng)過電阻 R4 接穩(wěn)壓管 1N4746，使觸發(fā)電壓穩(wěn)定，也使得觸發(fā)電壓不至于過高，燒壞 MOS 管，然后接到 MOS 管 IRF640(其實這就是個開關(guān)管，控制后端的開通和關(guān)斷) ， MOS 管的工作圖如下圖 5， 經(jīng)過控制驅(qū)動信號的占空比， 能夠控制 MOS 管的開通和關(guān)斷時間。當 MOS 管開通時，相當于它的 D 極接地，關(guān)斷時是斷開的，經(jīng)過后級電路相當于接 24V。而變壓器就是經(jīng)過電壓的變化來使右端輸出 12V 的信號。變壓器右端接一個整流橋，然后從接插件 X1 輸出 12V的信號。下圖 6 為該實驗電路的仿真波形圖，為了便當看清，我把 B 通道的正負引腳顛倒，測出圖中的電壓為負的，不過幅值是正確的。圖 7 是該電路的實驗波形圖，與仿真波形圖一樣。
實驗過程中遇到的問題
首先，開端上電時，保險絲忽然熔斷，后來查電路時發(fā)現(xiàn)最初的電路設(shè)計有問題。最初為了它的開關(guān)管輸出的效果更好，把24V的地和15V 的地隔開，這就使得MOS管的門極G極相當于后面的S極是懸空的，招致誤觸發(fā)。處理方法是把24V和15V的地接在一同，再次停止實驗，電路工作正常。電路銜接正常，但是當參加驅(qū)動信號時，MOS管發(fā)熱，加驅(qū)動信號一段時間后，保險絲熔斷，再加驅(qū)動信號時，保險絲直接熔斷。檢查電路發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動信號的高電平占空比過大，招致MOS管的開通時間太長。這個電路的設(shè)計使得當MOS管開通時，24V直接加到MOS管的兩端，并沒有加限流電阻，假如導通時間過長就使得電流過大，MOS管損壞，需求調(diào)理信號 的占空比不能太大，普通在 10%~20%左右。
2.3 驅(qū)動電路的驗證
為了驗證驅(qū)動電路的可行性，我們用它來驅(qū)動串連在一同的晶閘管電路，實驗電路圖如下圖8所示，互相串聯(lián)的晶閘管再反并聯(lián)后，接入帶有感抗的電路中，電源是 380V 的交流電壓源。
在這個電路中，晶閘管Q2、Q8的觸發(fā)信號經(jīng)過G11和G12接入，而Q5、Q11的觸發(fā)信號經(jīng)過G21、G22接入。在驅(qū)動信號接到晶閘管門級之前，為了進步晶閘管的抗干擾才能，在晶閘管的門極銜接一個電阻和電容。這個電路接電感后，再投入到主電路中。經(jīng)過控制晶閘管的導通角，來控制大電感投入到主電路的時間， 上下電路的觸發(fā)信號的相角相差半個周期，上路的 G11 和G12是一路的觸發(fā)信號，經(jīng)過前級的驅(qū)動電路中的隔離變壓器互相隔離，下路的 G21 和 G22同樣也是隔離的同一路信號。 實驗波形圖如圖 9 所示，兩路的觸發(fā)信號觸發(fā)反并聯(lián)晶閘管電路正反導通，上面的 1 通道接的是整個晶閘管電路的電壓，在晶閘管導通時它變?yōu)?0，而 2、3 通道接的是晶閘管電路上下路的觸發(fā)信號，4 通道測得是流過整個晶閘管的電流。
2 通道測得有正向的觸發(fā)信號時，觸發(fā)上面的晶閘管導通，電流為正;3 通道測得有反向的觸發(fā)信號時，觸發(fā)下路的晶閘管導通，電流為負。
3.IGBT 驅(qū)動電路的研討IGBT 對驅(qū)動電路有許多特殊的請求，概括起來有：
(1)驅(qū)動電壓脈沖的上升率和降落率要充沛大。IGBT 開通時， 前沿峻峭的柵極電壓加到柵極 G 與發(fā)射極 E 之間，使其快速開通，到達開通時間最短，以減小開通損耗。在 IGBT 關(guān)斷的時分，其柵極驅(qū)動電路要提供應(yīng) IGBT 降落沿很陡的關(guān)斷電壓，并給IGBT 的柵極 G 與發(fā)射極 E 之間施加恰當?shù)姆聪蚱秒妷海允?IGBT 快速關(guān)斷，縮短關(guān)斷時間，減小關(guān)斷損耗。
(2)IGBT 導通后，柵極驅(qū)動電路提供應(yīng) IGBT的驅(qū)動電壓和電流要有足夠的幅度，使 IGBT 的功率輸出總處于飽和狀態(tài)。瞬時過載時，柵極驅(qū)動電路提供的驅(qū)動功率要足以保證 IGBT 不退出飽和區(qū)而損壞。
（3) IGBT 的柵極驅(qū)動電路提供應(yīng) IGBT 的正驅(qū)動電壓要取適宜的值，特別是在有短路工作過程的設(shè)備中運用 IGBT 時，其正向驅(qū)動電壓更應(yīng)選擇所需求的最小值。開關(guān)應(yīng)用的 IGBT 的柵極電壓應(yīng)以10V～15V 為最佳。
(4)IGBT 的關(guān)斷過程中，柵-射極間施加的負偏壓有利于 IGBT 的快速關(guān)斷，但也不宜取的過大，普通取-2V 到 -10V。
(5)在大電感負載的狀況下，過快的開關(guān)反而是有害的，大電感負載在 IGBT 的快速開通和關(guān)斷時，會產(chǎn)生高頻且幅值很高而寬度很窄的尖峰電壓 Ldi/dt，該尖峰不易吸收，容易形成器件損壞。
(6)由于 IGBT 多用于高壓場所，所以驅(qū)動電路應(yīng)與整個控制電路在電位上嚴厲隔離，普通采用高速光耦合隔離或變壓器耦合隔離。
早期 IGBT 驅(qū)動電路引見早期的 IGBT 柵極驅(qū)動電路為分立式的柵極驅(qū)動電路如下圖所示：圖 10 為直接驅(qū)動式柵極驅(qū)動電路，圖 11 為變壓器隔離式柵極驅(qū)動電路，而圖 12 為光耦隔離式柵極驅(qū)動電路。
驅(qū)動電路現(xiàn)狀
隨著集成技術(shù)的開展，目前 IGBT 的柵極驅(qū)動電路多采用集成芯片控制。控制方式主要還是三種：
(1)直接觸發(fā)式輸入和輸出信號之間無電氣隔離。
(2)變壓器隔離驅(qū)動
輸入和輸出信號之間采用脈沖變壓器隔離，隔離電壓等級可達 4000V，
有以下 3 種辦法
無源辦法：用變壓器次級的輸出直接驅(qū)動 IGBT (如下圖 14) ，因受伏秒均衡的限制，只適用于占空比變化不大的場所。有源辦法：變壓器只提供隔離信號，在次級另有整形放大電路來驅(qū)動 IGBT，驅(qū)動波形較好，但需求單獨提供輔助電源。
自給電源法：脈沖變壓器既用于傳送驅(qū)動能量又用于高頻調(diào)制解調(diào)技術(shù)傳輸邏輯信號，分為調(diào)制型自給電源辦法和分時技術(shù)自給電源，其中調(diào)制型自給電源用整流橋來產(chǎn)生所需工作電源，用高頻調(diào)制解調(diào)技術(shù)來傳送邏輯信號.
3.晶閘管與 IGBT 驅(qū)動的聯(lián)絡(luò)與區(qū)別
晶閘管和 IGBT 的驅(qū)動電路之間有區(qū)別也有相似的中央。首先，兩者的驅(qū)動電路都需求將開關(guān)器件與控制電路互相隔離， 以免高壓電路對控制電路有影響。然后，兩者都是經(jīng)過給門極施加驅(qū)動信號，來觸發(fā)開關(guān)器件導通的。所不同的是晶閘管驅(qū)動需求的是電流信號，而 IGBT 需求的是電壓信號。在開關(guān)器件導通以后，晶閘管的門極就失去了控制造用，若要關(guān)斷晶閘管，則要在晶閘管兩端加反向電壓;而 IGBT 的關(guān)斷則只需求在門極加負的驅(qū)動電壓，來關(guān)斷 IGBT。
4.結(jié)論
本文主要分為兩局部敘說，第一局部對晶閘管驅(qū)動電路的請求停止了敘說， 設(shè)計了相對應(yīng)的驅(qū)動電路，并且將設(shè)計的電路應(yīng)用于實踐的晶閘管電路中，經(jīng)過仿真和實驗考證了驅(qū)動電路的可行性，對在實驗的過程中所遇到的問題停止了剖析和處理。第二局部主要論述了 IGBT 關(guān)于驅(qū)動電路的請求，并在此根底上進一步引見了目前常用到的 IGBT 的一些驅(qū)動電路，而且對其中的主要的光耦隔離驅(qū)動電路停止了仿真和實驗，考證了驅(qū)動電路的可行性。
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