功率開關(guān)MOS管器件的驅(qū)動(dòng)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(gè)安裝正常運(yùn)轉(zhuǎn)的根本條件。功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)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(duì)整個(gè)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(dòng)功率開關(guān)器件。簡(jiǎn)而言之，驅(qū)動(dòng)電路的根本任務(wù)就是將控制電路傳來的信號(hào)，轉(zhuǎn)換為加在器件控制端和公共端之間的能夠使其導(dǎo)通和關(guān)斷的信號(hào)。
同樣的mos管功率器件，采用不同的驅(qū)動(dòng)電路將得到不同的開關(guān)特性。采用性能良好的驅(qū)動(dòng)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(shí)縮短開關(guān)時(shí)間，減小開關(guān)損耗，對(duì)安裝的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，牢靠性和平安性都有重要的意義。因而驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)劣直接影響主電路的性能，驅(qū)動(dòng)電路的合理化設(shè)計(jì)顯得越來越重要。晶閘管體積小，重量輕，效率高，壽命長(zhǎng)，運(yùn)用便當(dāng)，能夠便當(dāng)?shù)耐Ｖ拐骱湍孀?，且能夠在不改?dòng)電路構(gòu)造的前提下，改動(dòng)整流或逆變電流的大小。IGBT 是 mosFET 和 GTR的復(fù)合器件，它具有開關(guān)速度快、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動(dòng)功率小和驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)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(diǎn)。IGBT作為主流的功率輸出器件， 特別是在大功率的場(chǎng)所，曾經(jīng)被普遍的應(yīng)用于各個(gè)范疇。
mos管開關(guān)器件理想的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)滿足以下請(qǐng)求：
(1)功率開關(guān)管開通時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路可以提供快速上升的基極電流，使得開啟時(shí)有足夠的驅(qū)動(dòng)功率，從而減小開通損耗。
(2)開關(guān)管導(dǎo)通期間，mos驅(qū)動(dòng)電路提供的基極電流在任何負(fù)載狀況下都能保證功率管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，保證比擬低的導(dǎo)通損耗。為減小存儲(chǔ)時(shí)間，器件關(guān)斷前應(yīng)處于臨界飽和狀態(tài)。
(3)關(guān)斷時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供足夠的反向基極驅(qū)動(dòng)，以疾速的抽出基區(qū)的剩余載流子，減小存儲(chǔ)時(shí)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(shí)間。當(dāng)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(dòng)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(dòng)晶閘管的導(dǎo)通。而關(guān)于 IGBT來說目前用的較多的是 IGBT 的驅(qū)動(dòng)模塊，也有集成了 IGBT、 系統(tǒng)自維護(hù)、 自診斷等各個(gè)功用模塊的 IPM。
本文針對(duì)我們所用到的晶閘管，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)電路，并停止實(shí)考證明了它能夠驅(qū)動(dòng)晶閘管。而關(guān)于 IGBT的驅(qū)動(dòng)，本文主要引見了目前主要的幾種 IGBT 的驅(qū)動(dòng)方式，以及與它們相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，并對(duì)最常用的光耦隔離的驅(qū)動(dòng)方式停止了仿真實(shí)驗(yàn)。
2.晶閘管驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(shí)，僅在門極接受正向電壓的狀況下晶閘管才導(dǎo)通。
(3)晶閘管在導(dǎo)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(jiān)持導(dǎo)通，即晶閘管導(dǎo)通后，門極失去作用?！ ?4)晶閘管在導(dǎo)通狀況下，當(dāng)主回路電壓(或電流)減小到接近于零時(shí)，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(dá) 25A。它所需求的門級(jí)驅(qū)動(dòng)電壓是 10 到 20V，驅(qū)動(dòng)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(hào)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(gè) 2：1 的隔離變壓器把 24V 的觸發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)換成 12V 的觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)完成了上下壓隔離的功用。
實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)與剖析
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)總電路圖如下圖 1 所示首先是升壓電路，由于后級(jí)的隔離變壓器電路中的 MOS 管器件需求 15V 的觸發(fā)信號(hào)，所以，需求先把幅值 5V 的觸發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)成 15V 的觸發(fā)信號(hào)，經(jīng)過 MC14504 把 5V 的信號(hào)， 轉(zhuǎn)換成為 15V的信號(hào)，然后再經(jīng)過 CD4050 對(duì)輸出的 15V 驅(qū)動(dòng)信號(hào)整形， 實(shí)驗(yàn)的波形圖如圖 3 所示， 通道 2 接的是 5V 輸入信號(hào)，通道 1 接的是輸出的 15V 的觸發(fā)信號(hào)。
第二局部是隔離變壓器電路，實(shí)驗(yàn)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(hào)，轉(zhuǎn)換成為 12V 的觸發(fā)信號(hào)去觸發(fā)后面的晶閘管的導(dǎo)通，并且做到 15V 的觸發(fā)信號(hào)與后級(jí)之距離。
該電路的工作原理是：由于 MOS 管 IRF640 的驅(qū)動(dòng)電壓為 15V，所以，首先是在 J1 處接入 15V 的方波信號(hào)，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(shí)這就是個(gè)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(dòng)信號(hào)的占空比， 能夠控制 MOS 管的開通和關(guān)斷時(shí)間。當(dāng) MOS 管開通時(shí)，相當(dāng)于它的 D 極接地，關(guān)斷時(shí)是斷開的，經(jīng)過后級(jí)電路相當(dāng)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(hào)。變壓器右端接一個(gè)整流橋，然后從接插件 X1 輸出 12V的信號(hào)。下圖 6 為該實(shí)驗(yàn)電路的仿真波形圖，為了便當(dāng)看清，我把 B 通道的正負(fù)引腳顛倒，測(cè)出圖中的電壓為負(fù)的，不過幅值是正確的。圖 7 是該電路的實(shí)驗(yàn)波形圖，與仿真波形圖一樣。
實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題
首先，開端上電時(shí)，保險(xiǎn)絲忽然熔斷，后來查電路時(shí)發(fā)現(xiàn)最初的電路設(shè)計(jì)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(dāng)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(shí)驗(yàn)，電路工作正常。電路銜接正常，但是當(dāng)參加驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，MOS管發(fā)熱，加驅(qū)動(dòng)信號(hào)一段時(shí)間后，保險(xiǎn)絲熔斷，再加驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，保險(xiǎn)絲直接熔斷。檢查電路發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的高電平占空比過大，招致MOS管的開通時(shí)間太長(zhǎng)。這個(gè)電路的設(shè)計(jì)使得當(dāng)MOS管開通時(shí)，24V直接加到MOS管的兩端，并沒有加限流電阻，假如導(dǎo)通時(shí)間過長(zhǎng)就使得電流過大，MOS管損壞，需求調(diào)理信號(hào) 的占空比不能太大，普通在 10%~20%左右。
2.3 驅(qū)動(dòng)電路的驗(yàn)證
為了驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)電路的可行性，我們用它來驅(qū)動(dòng)串連在一同的晶閘管電路，實(shí)驗(yàn)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(gè)電路中，晶閘管Q2、Q8的觸發(fā)信號(hào)經(jīng)過G11和G12接入，而Q5、Q11的觸發(fā)信號(hào)經(jīng)過G21、G22接入。在驅(qū)動(dòng)信號(hào)接到晶閘管門級(jí)之前，為了進(jìn)步晶閘管的抗干擾才能，在晶閘管的門極銜接一個(gè)電阻和電容。這個(gè)電路接電感后，再投入到主電路中。經(jīng)過控制晶閘管的導(dǎo)通角，來控制大電感投入到主電路的時(shí)間， 上下電路的觸發(fā)信號(hào)的相角相差半個(gè)周期，上路的 G11 和G12是一路的觸發(fā)信號(hào)，經(jīng)過前級(jí)的驅(qū)動(dòng)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(hào)。 實(shí)驗(yàn)波形圖如圖 9 所示，兩路的觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)反并聯(lián)晶閘管電路正反導(dǎo)通，上面的 1 通道接的是整個(gè)晶閘管電路的電壓，在晶閘管導(dǎo)通時(shí)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(hào)，4 通道測(cè)得是流過整個(gè)晶閘管的電流。
2 通道測(cè)得有正向的觸發(fā)信號(hào)時(shí)，觸發(fā)上面的晶閘管導(dǎo)通，電流為正;3 通道測(cè)得有反向的觸發(fā)信號(hào)時(shí)，觸發(fā)下路的晶閘管導(dǎo)通，電流為負(fù)。
3.IGBT 驅(qū)動(dòng)電路的研討IGBT 對(duì)驅(qū)動(dòng)電路有許多特殊的請(qǐng)求，概括起來有：
(1)驅(qū)動(dòng)電壓脈沖的上升率和降落率要充沛大。IGBT 開通時(shí)， 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(dá)開通時(shí)間最短，以減小開通損耗。在 IGBT 關(guān)斷的時(shí)分，其柵極驅(qū)動(dòng)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(dāng)?shù)姆聪蚱秒妷?，以?IGBT 快速關(guān)斷，縮短關(guān)斷時(shí)間，減小關(guān)斷損耗。
(2)IGBT 導(dǎo)通后，柵極驅(qū)動(dòng)電路提供應(yīng) IGBT的驅(qū)動(dòng)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(shí)過載時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)電路提供的驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路提供應(yīng) IGBT 的正驅(qū)動(dòng)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(yùn)用 IGBT 時(shí)，其正向驅(qū)動(dòng)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(fù)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(fù)載的狀況下，過快的開關(guān)反而是有害的，大電感負(fù)載在 IGBT 的快速開通和關(guān)斷時(shí)，會(huì)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(chǎng)所，所以驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)與整個(gè)控制電路在電位上嚴(yán)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(dòng)電路引見早期的 IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)電路為分立式的柵極驅(qū)動(dòng)電路如下圖所示：圖 10 為直接驅(qū)動(dòng)式柵極驅(qū)動(dòng)電路，圖 11 為變壓器隔離式柵極驅(qū)動(dòng)電路，而圖 12 為光耦隔離式柵極驅(qū)動(dòng)電路。
驅(qū)動(dòng)電路現(xiàn)狀
隨著集成技術(shù)的開展，目前 IGBT 的柵極驅(qū)動(dòng)電路多采用集成芯片控制?？刂品绞街饕€是三種：
(1)直接觸發(fā)式輸入和輸出信號(hào)之間無電氣隔離。
(2)變壓器隔離驅(qū)動(dòng)
輸入和輸出信號(hào)之間采用脈沖變壓器隔離，隔離電壓等級(jí)可達(dá) 4000V，
有以下 3 種辦法
無源辦法：用變壓器次級(jí)的輸出直接驅(qū)動(dòng) 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(chǎng)所。有源辦法：變壓器只提供隔離信號(hào)，在次級(jí)另有整形放大電路來驅(qū)動(dòng) IGBT，驅(qū)動(dòng)波形較好，但需求單獨(dú)提供輔助電源。
自給電源法：脈沖變壓器既用于傳送驅(qū)動(dòng)能量又用于高頻調(diào)制解調(diào)技術(shù)傳輸邏輯信號(hào)，分為調(diào)制型自給電源辦法和分時(shí)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(hào).
3.晶閘管與 IGBT 驅(qū)動(dòng)的聯(lián)絡(luò)與區(qū)別
晶閘管和 IGBT 的驅(qū)動(dòng)電路之間有區(qū)別也有相似的中央。首先，兩者的驅(qū)動(dòng)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(duì)控制電路有影響。然后，兩者都是經(jīng)過給門極施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，來觸發(fā)開關(guān)器件導(dǎo)通的。所不同的是晶閘管驅(qū)動(dòng)需求的是電流信號(hào)，而 IGBT 需求的是電壓信號(hào)。在開關(guān)器件導(dǎo)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(fù)的驅(qū)動(dòng)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(duì)晶閘管驅(qū)動(dòng)電路的請(qǐng)求停止了敘說， 設(shè)計(jì)了相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，并且將設(shè)計(jì)的電路應(yīng)用于實(shí)踐的晶閘管電路中，經(jīng)過仿真和實(shí)驗(yàn)考證了驅(qū)動(dòng)電路的可行性，對(duì)在實(shí)驗(yàn)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(dòng)電路的請(qǐng)求，并在此根底上進(jìn)一步引見了目前常用到的 IGBT 的一些驅(qū)動(dòng)電路，而且對(duì)其中的主要的光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路停止了仿真和實(shí)驗(yàn)，考證了驅(qū)動(dòng)電路的可行性。
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