集成專用驅(qū)動器在開關(guān)電源中的應用

隨著各種用電設備的飛速發(fā)展，特別是通訊產(chǎn)業(yè)的突飛猛進，對電源不斷地提出新的要求：電功率要求不斷加大；電壓調(diào)節(jié)范圍要求越來越大；電流的穩(wěn)定性要求越來越高；紋波與噪聲要求越來越低；體積要求越來越小等。為了適應這種現(xiàn)狀，開關(guān)電源的產(chǎn)生與發(fā)展成為了必然。

由于遠程供電的需要，需研制一臺高壓大功率直流開關(guān)電源。采用開關(guān)電源主要是因為開關(guān)電源功率可以做大、電壓可以做高、電壓調(diào)節(jié)范圍可以做廣。但是在整個研制過程中發(fā)現(xiàn)驅(qū)動電路是比較困難且重要的環(huán)節(jié)。目前開關(guān)電源的國內(nèi)外發(fā)展速度很快，技術(shù)非常成熟。20世紀90年代以來，高頻變換技術(shù)飛速地發(fā)展，不斷涌現(xiàn)了新型電力電子器件，高智能化IC和新電路拓撲，創(chuàng)造出10年前意想不到的許多新型穩(wěn)壓電源。現(xiàn)代電源技術(shù)正以空前的規(guī)模改造著傳統(tǒng)的舊式電器設備，廣泛進入了國民經(jīng)濟和人類生活的各個領(lǐng)域。

l驅(qū)動電路的功能與特點

開關(guān)電源的形式與種類很多，盡管各種不同的開關(guān)電源能達到的性能指標也各不相同，但總是由以下幾個部分組成：

(1)控制單元

一般都是由專門的集成電路擔當這部分工作，也有用單片機、DPS作為控制單元核心的，視具體需要而定。

(2)功率元件

目前一般使用IGBT和MOSFET；一般高頻中小功率情況下用場效應管，大功率情況下用IGBT，其電路結(jié)構(gòu)上大同小異，柵極高電平(一般是10～20 V，常用的是15 V)導通，低電平(－5～0 V)截止。其作用是開關(guān)電源的核心。

(3)驅(qū)動電路

這部分是開關(guān)電源的靈魂，是連接控制單元與功率管的橋梁?？刂茊卧鰜淼碾娖揭话銦o法直接驅(qū)動功率管，需要有一個電平的轉(zhuǎn)換及電流驅(qū)動；對于驅(qū)動電路而言，功率管的柵極即為負載，一般的功率管柵源之間有一個寄生電容，故驅(qū)動電路的負載是一個容性負載，若驅(qū)動電流不夠，或提高頻率，方波會產(chǎn)生畸變，無法達到設計目的。因此功率電子的驅(qū)動是整個設計的重點，也是難點。

開關(guān)穩(wěn)壓電源中的功率開關(guān)管要求在關(guān)斷時能迅速關(guān)斷，并能維持關(guān)斷期間的漏電流近似等于零；在導通時要求能迅速導通，并且維持導通期間的管壓降也近似等于零。開關(guān)管趨于關(guān)斷時的下降時間和趨于導通時的上升時間的快慢是降低開關(guān)晶體管損耗功率，提高開關(guān)穩(wěn)壓電源效率的主要因素。要縮短這兩個時間，除選擇高反壓、高速度、大功率開關(guān)管以外，主要還取決于加在開關(guān)管柵極的驅(qū)動信號。驅(qū)動波形的要求如下：

①驅(qū)動波形的正向邊緣一定要陡，幅度要大，以便減小開關(guān)管趨于導通時的上升時間；

②在維持導通期間內(nèi)，要能保證開關(guān)管處在飽和導通狀態(tài)，以減小開關(guān)管的正向?qū)ü軌航?，從而降低導通期間開關(guān)管的集電極功率損耗；

③當正向驅(qū)動結(jié)束時，驅(qū)動幅度要減小，以便使開關(guān)管能很快地脫離飽和區(qū)，以減小關(guān)閉儲存時問；

④驅(qū)動波形的下降邊緣也一定要陡，幅度要大，以便減小開關(guān)管趨于截止時的下降時間。理想的驅(qū)動波形如圖1所示。其中圖1(a)是漏極電壓和電流波形圖，圖1(b)是柵極驅(qū)動信號波形圖。

2 IR2110柵極驅(qū)動抗干擾技術(shù)

IR2110是一種雙通道高壓、高速電壓型功率開關(guān)器件柵極驅(qū)動器，具有自居浮動電源，驅(qū)動電路十分簡單，只用一個電源可同時驅(qū)動上下橋臂。但是IR2110芯片有他本身的缺陷，不能產(chǎn)生負壓，在抗干擾方面比較薄弱，以下詳細結(jié)合實驗介紹抗干擾技術(shù)。

2．1 芯片功能簡介

IR2110包括：邏輯輸入、電平轉(zhuǎn)換、保護、上橋臂側(cè)輸出和下橋臂側(cè)輸出。邏輯輸入端采用施密特觸發(fā)電路，提高抗干擾能力。輸入邏輯電路與TTL／COMS電平兼容，其輸入引腳閾值為電源電壓Vdd的10％，各通道相對獨立。由于邏輯信號均通過電平耦合電路連接到各自的通道上，允許邏輯電路參考地(VSS)與功率電路參考地(COM)之間有－5 V～＋5 V的偏移量，并且能屏蔽小于50 ns脈沖，這樣便具有較理想的抗噪聲效果。兩個高壓MOS管推挽驅(qū)動器的最大灌入或輸出電流可達2 A，上橋臂通道可以承受500 V的電壓。輸入與輸出信號之間的傳導延時較小，開通傳導延時為120 ns，關(guān)斷傳導延時為95 ns。電源VCC典型值為15 V，邏輯電源和模擬電源共用一個15 V電源，邏輯地和模擬地接在一起。輸出端設有對功率電源VCC的欠壓保護，當小于8．2 V時，封鎖驅(qū)動輸出。

IR2110具有很多優(yōu)點：自舉懸浮驅(qū)動電源可同時驅(qū)動同一橋臂的上、下兩個開關(guān)器件，驅(qū)動500 V主電路系統(tǒng)，工作頻率高，可以達到500 kHz；具有電源欠壓保護相關(guān)斷邏輯；輸出用圖騰柱結(jié)構(gòu)，驅(qū)動峰值電流為2 A；兩通道設有低壓延時封鎖(50 ns)。芯片還有一個封鎖兩路輸出的保護端SD，在SD輸入高電平時，兩路輸出均被封鎖。IR2110的優(yōu)點，給實際系統(tǒng)設計帶來了極大方便，特別是自舉懸浮驅(qū)動電源大大簡化了驅(qū)動電源設計，只用一路電源即可完成上下橋臂兩個功率開關(guān)器件的驅(qū)動。IR2110的典型應用電路如圖2所示。

但是在這種電路的使用上存在很大的問題，當高壓側(cè)電壓緩慢地往上升時可以清楚地看見毛刺越來越嚴重，電壓很低時管子發(fā)熱嚴重，芯片很容易燒掉。這些問題都是由于2 11 0自身的一些不足產(chǎn)生的，IR2110不能產(chǎn)生負偏壓，如果用于驅(qū)動橋式電路，在半橋電感負載電路下運行，處于關(guān)斷狀態(tài)下的IGBT，由于其反并聯(lián)二極管的恢復過程，將承受C-E電壓的急劇上升。此靜態(tài)的dv／dt通常比IGBT關(guān)斷時的上升率高。由于密勒效應，此dv／dt在集電極，柵極問電容內(nèi)產(chǎn)生電流，流向柵極驅(qū)動電路，如圖3所示。雖然在關(guān)斷狀態(tài)時柵極電壓Vg為零，由于柵極電路的阻抗(柵極限流電阻Rg，引線電感Lg)，該電流令VGE增加，趨向于VGE(th)。最嚴重的情況是該電壓達到閾值電壓，使IGBT導通，導致橋臂短路。IR2110驅(qū)動輸出阻抗不夠小，沿柵極的灌人電流會在驅(qū)動電壓上加上比較嚴重的毛刺干擾。

2．2 IR2110改進抗干擾電路

2．2．1 帶電平箝位的IR2110驅(qū)動電路

針對IR2110的不足，對輸出驅(qū)動電路進行了改進，可以采用在柵極限流電阻上反并聯(lián)一個二極管，但在大功率的環(huán)境下不太明顯。本文介紹的第一種方法就是下面如圖4所示電路。在關(guān)斷期間將柵極驅(qū)動電平箝位到零電平。在橋臂上管開通期間驅(qū)動信號使Q1導通、Q2截止，正常驅(qū)動。上管關(guān)斷期間，Q1截止，Q2柵極高電平，導通，將上管柵極電位拉到低電平(三極管的飽和壓降)。這樣，由于密勒效應產(chǎn)生的電流從Q2中流過，柵極驅(qū)動上的毛刺可以大大的減小。下管工作原理與上管完全相同，不再累述。[!--empirenews.page--]

2．2．2 IR2110負壓產(chǎn)生電路

在大功率IGBT場合，各路驅(qū)動電源獨立，集成驅(qū)動芯片一般都有產(chǎn)生負壓得功能，如EXB841系列，M57957系列等，在IGBT關(guān)斷期間柵極上施加一個負電壓，一般為－3～－5 V。其作用也是為了增強IGBT關(guān)斷的可靠性。防止由于密勒效應而造成的誤導通。IR2110芯片內(nèi)部雖然沒有產(chǎn)生負壓功能，但可以通過外加幾個無源器件來實現(xiàn)產(chǎn)生負壓得功能，如圖5所示。在上下管驅(qū)動電路中均加上由電容和5 V穩(wěn)壓管組成的負壓電路。

其工作原理為：電源電壓為20 V，在上電期間，電源通過Rg給Cg充電，Cg保持5 V的電壓，在LIN為高電平的時候，LO輸出0 V，此時S2柵極上的電壓為－5 V，從而實現(xiàn)了關(guān)斷時負壓。

對于上管S1，HIN為高電平時，HO輸出為20 V，加在柵極上的電壓為15 V。當HIN為低電平時，HO輸出0 V，S1柵極為－5 V。

IGBT為電壓型驅(qū)動器件，所以負壓負壓電容C5，C6上的電壓波動較小，維持在5 V，自舉電容上的電壓也維持在20 V左右，只在下管S2導通的瞬間有一個短暫的充電過程。

IGBT的導通壓降一般小于3 V，負壓電容C5的充電在S2導通時完成。對于C5，C6的選擇，要求大于IGBT柵極輸入寄生電容Ciss。自舉電容電電路中的二極管D1必須是快恢復二極管，應留有足夠的電流余量。此電路與一般的帶負壓驅(qū)動芯片產(chǎn)生負壓原理相同，直流母線上疊加了5 V的電壓。

2．2．3 IR2110結(jié)合隔離變壓器電路

上面2種方法已經(jīng)得到了廣泛的應用，但是也有他的缺點，首先電路比最簡單的應用電路要復雜的多，其次所用的器件數(shù)目增多，成本增加，再次效果也并不是非常好，這主要是因為IR2110芯片本身很容易受到開關(guān)管的影響。

負載增大，電壓升高，IR2110的輸出波形就會變得很混亂，所以用常規(guī)的變壓器隔離和IR2110結(jié)合起來使用其電路圖如6所示，這種電路結(jié)合了經(jīng)典電路的部分內(nèi)容，大大地減小了負載對驅(qū)動的影響，可以用于大功率場合，電路也比較簡單，非常實用。

其工作原理為：電源電壓為20 V，在上電期間，電源通過Rg給Cg充電，Cg保持5 V的電壓，在LIN為高電平的時候，LO輸出0 V，此時S2柵極上的電壓為－5 V，從而實現(xiàn)了關(guān)斷時負壓。

對于上管S1，HIN為高電平時，HO輸出為20 V，加在柵極上的電壓為15 V。當HIN為低電平時，HO輸出0 V，S1柵極為－5 V。

IGBT為電壓型驅(qū)動器件，所以負壓負壓電容C5，C6上的電壓波動較小，維持在5 V，自舉電容上的電壓也維持在20 V左右，只在下管S2導通的瞬間有一個短暫的充電過程。

IGBT的導通壓降一般小于3 V，負壓電容C5的充電在S2導通時完成。對于C5，C6的選擇，要求大于IGBT柵極輸入寄生電容Ciss。自舉電容電電路中的二極管D1必須是快恢復二極管，應留有足夠的電流余量。此電路與一般的帶負壓驅(qū)動芯片產(chǎn)生負壓原理相同，直流母線上疊加了5 V的電壓。

2．2．3 IR2110結(jié)合隔離變壓器電路

上面2種方法已經(jīng)得到了廣泛的應用，但是也有他的缺點，首先電路比最簡單的應用電路要復雜的多，其次所用的器件數(shù)目增多，成本增加，再次效果也并不是非常好，這主要是因為IR2110芯片本身很容易受到開關(guān)管的影響。

負載增大，電壓升高，IR2110的輸出波形就會變得很混亂，所以用常規(guī)的變壓器隔離和IR2110結(jié)合起來使用其電路圖如6所示，這種電路結(jié)合了經(jīng)典電路的部分內(nèi)容，大大地減小了負載對驅(qū)動的影響，可以用于大功率場合，電路也比較簡單，非常實用。

3 結(jié) 語

各種各樣的IGBT驅(qū)動電路都有他們的優(yōu)點和缺點，IR2110具有輕型、占用資源少、高可靠性、成本低廉等優(yōu)點而被廣泛采用。本文所提供的幾種抗干擾措施也應該根據(jù)具體情況進行分析，當然根據(jù)具體電路的不同應該按照實際情況選擇電路，傳統(tǒng)的驅(qū)動電路也有他的優(yōu)點，光電耦合器也可以廣泛使用。

本文所提供的幾種抗干擾措施也應該根據(jù)具體情況進行分析，當然根據(jù)具體電路的不同應該按照實際情況選擇電路，傳統(tǒng)的驅(qū)動電路也有他優(yōu)點，光電藕合器也可以廣泛使用。