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目前绝缘栅器件(IGBT)驱动技术现状

来源:作者:2012-06-15点击:326

现有技术概述

  市场上的驱动器产品简介

  TX系列驱动器介绍

  

  现有技术概述

   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VMOS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。

  VMOS场效应管(以及IGBT绝缘栅双极性大功率管等器件)的源极和栅极之间是绝缘的二氧化硅结构,直流电不能通过,因而低频的静态驱动功率接近于零。但是栅极和源极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VMOS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,在1-100nF,甚至更大,因而需要较大的动态驱动功率。更由于漏极到栅极的密勒电容Cdg,栅极驱动功率是不可忽视的。

  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,驱动电路的设计是比较简单的,目前也有了一些优秀的驱动集成电路,如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。

  光电耦合器的优点是体积小巧,缺点是:A.反应较慢,因而具有较大的延迟时间(高速型光耦一般也大于500ns);B.光电耦合器的输出级需要隔离的辅助电源供电。

  用脉冲变压器隔离驱动绝缘栅功率器件有三种方法:无源、有源和自给电源驱动。

  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,但由于绝缘栅功率器件的栅源电容Cgs一般较大,因而栅源间的波形Vgs将有明显变形,除非将初级的输入信号改为具有一定功率的大信号,相应脉冲变压器也应取较大体积。

  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,当然驱动波形好,但是需要另外提供隔离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。

  自给电源方法的已有技术是对PWM驱动信号进行高频(1MHz以上)调制,该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, 价格当然也较高。调制的优点是可以传递的占空比不受限制。

  分时式自给电源是北京落木源公司的创新技术,其特点是变压器在输入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,因而波形失真很小。这种技术的缺点是占空比一般只能达到5-95%。

  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。

  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,等等,种类繁多,本文不作具体介绍,读者可查阅相关资料。

  使用光电耦合器的隔离驱动器

  隔离驱动产品绝大部分是使用光电耦合器来隔离输入的驱动信号和被驱动的绝缘栅器件,采用厚膜工艺制成HIC电路,部分阻容元件也由引脚接入。

  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。TX-KA系列驱动器保护功能完善、工作频率高、价格便宜,并能与多种其它类型的驱动器兼容。

  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-KA101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。

  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等,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,只适用于特大功率电源中。上述两种驱动板的信号传递采用的是调制技术。

  北京落木源公司也开发了一款变压器隔离的驱动器,型号为KB101,可以工作在较高的频率上,但是需要用户提供辅助电源。

  变压器隔离、调制式自给电源驱动器

  调制式自给电源驱动器,采用变压器进行电气隔离,通过载频传递驱动所需要的能量,通过调制信号传递PWM信息,因此可以通过0-100%占空比的PWM信号。目前的许多驱动板产品都采用这种技术,如西门康的SKHI27等。

  单片式的调制驱动器,目前国外还未见有产品出售。但有一种2片组合式的,如UNITRODE公司的UC3724/25集成电路对,其中3724与驱动源相连,3725与被驱动的绝缘栅器件相连,3724与3725之间由用户接入一个脉冲变压器,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。

  国内的单片式调制驱动器,有北京落木源的TX-KE系列驱动器。

  调制驱动器,除无需用户提供辅助电源外,还具有隔离电压高的特点,但是价格较高。

  变压器隔离、分时式自给电源驱动器

  分时式自给电源驱动器产品的优点是:价格便宜,大中小功率的电源都可应用;驱动器自身不需要单独的供电电源,简化了电路;输出驱动脉冲的延迟很少,上升和下降沿也相当陡峭;工作频率较高;并且可在占空比5-95%的范围内工作。

  分时式自给电源驱动器的缺点是:当工作频率较低时变压器的体积较大,厚膜化困难,由于自给电源提供的能量有限、难以驱动300A/1200V以上的IGBT。

  TX系列驱动器介绍

  TX-KA系列IGBT驱动器

 

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