IGBT和MOSFET 器件的隔離驅動技術

1 引言
    開關電源中大功率器件驅動電路的設計一向是電源領域的關鍵技術之一。普通大功率三極體和絕緣柵功率器件(包括MOSFET場效應管和IGBT絕緣柵雙極性大功率管等)，由於器件結構的不同，具體的驅動要求和技術也大不相同。前者屬於電流控制器件，要求合適的電流波形來驅動；後者屬於電場控制器件，要求一定的電壓來驅動。本文只介紹後者的情況。
    MOSFET場效應管(以及IGBT絕緣柵雙極性大功率管等器件)的源-柵之間是絕緣的二氧化硅結構，直流電不能通過，因而低頻的動態驅動功率接近於零。但是柵一源之間構成了一個柵極電容Cgs，因而在高頻率的交替開通和關斷時需要一定的動態驅動功率。小功率MOSFET管的Cgs一般在10~100pF之內，對於大功率的絕緣柵功率器件，由於柵極電容Cgs較大，一般在1~100nF之間，因而需要較大的動態驅動功率。更由於漏極到柵極的米勒電容Cdg，使柵極驅動功率往往是不可忽視的。
    因IGBT具有電流拖尾效應，在關斷時要求更好的抗干擾性，需要負壓驅動。MOSFET速度比較快，關斷時可以沒有負壓，但在干擾較重時，負壓關斷對於提高可靠性很有好處。

2 隔離驅動技術現狀
    為可靠驅動絕緣柵器件，目前已有很多成熟電路。當驅動信號與功率器件不需要隔離時，驅動電路的設計比較簡單，目前也有了許多優秀的驅動集成電路，如國際整流器公司的IR2110。當需要驅動器的輸入端與輸出端電氣隔離時，一般有兩種途徑：採用光電耦合器或是利用脈衝變壓器來提供電氣隔離。
2.1 光電耦合器隔離的驅動器
    光電耦合器的優點是體積小巧，缺點是：① 反應較慢，因而具有較大的延遲時間(高速型光電耦合器一般也大於300ns)；②光電耦合器的輸出級需要隔離的輔助電源供電。

2.2 無源變壓器驅動
    用脈衝變壓器隔離驅動絕緣柵功率器件有無源、有源和自給電源驅動三種方法。
    無源方法就是用變壓器次級的輸出直接驅動絕緣柵器件，這種方法很簡單，也不需要單獨的驅動電源。缺點是輸出波形失真較大，因為絕緣柵功率器件的柵-源電容 一般較大。減小失真的辦法是將初級的輸人信號改為具有一定功率的大信號，相應地，脈衝變壓器也應取較大體積，但在大功率情況下，一般仍不令人滿意。另一缺點是當占空比變化較大時，輸出驅動脈衝的正負幅值變化太大，可能導致工作不正常，因此只適用於占空比變化不大的場合。

2.3 有源變壓器驅動
    有源方法中的變壓器只提供隔離的信號，在次級另有整形放大電路來驅動絕緣柵功率器件，當然驅動波形較好，但是需要另外提供單獨的輔助電源供給放大器。而輔助電源如果處理不當，可能會引進寄生的干擾。

2.4 調製型自給電源的變壓器隔離驅動器
    採用自給電源技術，只用一個變壓器，既省卻了輔助電源又能得到較快的速度，當然是不錯的方法。目前自給電源的產生有調製和分時兩種方法。
    調製技術是比較經典的方法，即對PWM 驅動信號進行高頻(幾個兆赫以上)調製，並將調製信號加在隔離脈衝變壓器的初級，在次級通過直接整流得到自給電源，而原PWM調製信號則需經過解調取得。顯然，這種方法並不簡單。調製式的另一缺點是PWM的解調要增加信號的延時。調製方式適於傳遞較低頻率的PWM信號。

2.5 分時型自給電源的變壓器隔離驅動器
    分時技術是一種較新的技術，原理如上圖所示，將信號和能量的傳送採取分時進行的方法，即在變壓器輸入PWM信號的上升和下降沿只傳遞PWM信息，在輸入信號的平頂階段傳遞驅動所需要的能量。由於在PWM信號的上升和下降沿只傳遞信號，基本沒有能量傳輸，因而輸出的PWM脈衝的延時和畸變都很小，能獲得陡峭的驅動輸出脈衝。分時型自給電源驅動器的不足是用於低頻時變壓器的體積較大，此外由於自給能量的限制，驅動超過300A/1200V的IGBT比較困難。

3 市場上的驅動器產品簡介
    當前市場上的成品驅動器，按驅動信號與被驅動的絕緣柵器件的電氣關係來分，可分為直接驅動和隔離驅動兩種，其中隔離驅動的隔離元件有光電耦合器和脈衝變壓器兩種。

3.1 不隔離的直接驅動器
    在Boost、全波、正激或反激等電路中，功率開關管的源極位於輸入電源的下軌，PWM IC輸出的驅動信號一般不必與開關管隔離，可以直接驅動。如果需要較大的驅動能力，可以加接一級放大器或是串上一個成品驅動器。直接驅動的成品驅動器一般都採用薄膜工藝製成IC電路，調節電阻和較大的電容由外引腳接入。
    目前的這類成品驅動器種類不少，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，種類繁多，本文不作具體介紹，讀者可查閱相關資料。

3.2 使用光電耦合器的隔離驅動器
    隔離驅動產品絕大部分使用光電耦合器來隔離輸人的驅動信號和被驅動的絕緣柵器件，採用厚膜或PCB工藝製成，部分阻容元件由引腳接入。這種產品主要用於IGBT的驅動，因IGBT具有電流拖尾效應，所以光耦驅動器都是負壓關斷。
    目前市售的光電耦合型驅動器產品，主要有FUJI公司的EXB8XX系列，MITSUBISHI公司的M579XX系列，英達公司的HR065和西安愛帕克電力電子有限公司的HL402B等，以及北京落木源電子技術有限公司的TX-KA系列。KA系列驅動器保護功能完善、工作頻率較高、用戶可調參數多、價格便宜，並能與多種其他類型的驅動器兼容。
    此類產品，由於光電耦合器的速度限制，一般工作頻率都在50kHz以下(TX-KA的某些產品可達80K)。它們的優點是，大部分具有過流保護功能，其過電流信號是從IGBT的管壓降中取得的；共同的缺點是需要一個或兩個獨立的輔助電源，因而使用較為麻煩。
    由於成本問題，該類產品價格稍高，因此只適用於在大功率電源中驅動IGBT模塊，在中小功率領域難以推廣使用。

3.3 變壓器隔離。一路電源輸入，自帶DC-DC輔助電源的驅動器
    目前有CONCEPT公司的2SD315A和SEMIKRON公司的SKHI22，使用兩個脈衝變壓器傳遞半橋驅動信號，需要一路電源輸入，自帶一個DC-DC；電源提供驅動所需的兩個輔助電源，輸出的驅動信號質量不錯，驅動能力也很強，但由於結構複雜，因而體積較大，價格不菲，只適用於大功率電源中。
    落木源公司也開發了一款型號為KB101的變壓器隔離的驅動器，可以工作在較高的頻率上，但是需要用戶提供輔助電源。

3.4 調製型自給電源的變壓器隔離驅動器
    這類產品，典型的如UNITRODE公司的UC3724/25集成電路對，其中UC3724與驅動源相連，UC3725與被驅動的絕緣柵器件相連，UC3724與UC3725之間由用戶接入一個脈衝變壓器。它採用的是高頻調製技術，在UC3724中將PWM信號調製到約1MHz的載波上，送到隔離脈衝變壓器的初級，次級輸出信號在UC3725中通過直接整流得到自給電源，通過解調取得原PWM信號，這種驅動器集成化比較好，但由於載波頻率不夠高，因而總的延遲時間稍長。

3.5 分時技術自給電源的變壓器隔離驅動器
    這是一種新技術產品，如北京落木源電子技術有限公司生產的TX_KC、KD系列驅動器，目前有適合單管、半橋、雙正激、同步整流和IGBT等近20種型號。在我們研製的20kW逆變焊機中項目中，功率器件的驅動片就採用了TX-KD301半橋驅動器，用該驅動片驅動200A/1200V IGBT，在實際應用中收到了良好效果。電路載入過程中波形正確、振蕩小，在重載下無畸變，使共態導通的可能大大降低，長時間工作發熱量較小。該產品使用兩年來未發生任何故障。大大提高了產品的可靠性。
    與設計者自己搭接的驅動電路相比，此類驅動器自身無需單獨的供電電源，關斷採用負壓，抗干擾能力強，驅動延遲小，可在占空比5%～95%的範圍內工作，驅動器的輸入信號與輸出的柵極驅動脈衝是電氣隔離的，因此適用於多種電路拓撲，種類較多，價格比較低廉，既有適合中大功率電源的，也有適用於小功率模塊電源的驅動器，因此比較適用於需要隔離的MOS管驅動。

4 結語
    開關電源中功率管的驅動對整個電源的正常工作有著很大的作用，因此電源設計師往往要花費不少精力去設計或選擇成品驅動器。以前市場上的隔離驅動器都是用於驅動大功率IGBT的，中小功率的MOSFET隔離驅動器未見有產品出售，原因在於中小功率的電源不允許使用昂貴的驅動組件。現在，北京落木源電子有限公司不僅提供了多種具有保護功能的IGBT驅動器，還提供了一系列雖然不具保護，但價格低廉的隔離驅動器，增加了用戶的選擇餘地。
    需要特別提及的是，在成品驅動組件的使用中，許多應用細節，如輸入緩衝器的設備、柵極電阻的選擇、輸出引線的絞合等，以及產品說明書中的各項具體要求，都必須引起充分的注意，否則很可能產生各類驅動問題，從而使電源整機無法正常工作，甚至產生共態導通，燒壞器件。