全控型器件驅動技術工程教學內(nèi)容設計

梅建偉　田艷芳　羅敏　劉杰　魏海波

摘要：根據(jù)功率轉換電路開關器件對驅動電路的性能要求，本文給出了驅動電路的驅動功率和驅動峰值電流的計算方法，同時結合工程應用情況，給出了工程上常用的8種驅動電路原理圖和典型的集成驅動芯片。該工程教學內(nèi)容的拓展，促進了全控型器件驅動應用。

關鍵詞：全控型；驅動；峰值電流；隔離；集成；

中圖分類號：TM1-4

本科教學建設與改革項目資助：面向電動車輛工程方向的自動化專業(yè)人才培養(yǎng)模式研究與探討，項目編號：JX201603-1.

驅動電路作為主電路與控制電路之間的接口， 按控制目標的要求施加開通或關斷的信號。對半控型器件只需提供開通控制信號。對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關斷控制信號，本文針對的全控型器件主要是指MOSFET，IGBT及其智能功率模塊。

1、理想驅動電路的基本性能

1.1 基本性能

1） IGBT柵極和發(fā)射極之間是絕緣柵極的二氧化硅結構，直流電不能導通， 因此低頻靜態(tài)功率很小；

2） 柵極和發(fā)射極之間構成一個柵極電容，因此在高頻的交替開通和關斷時需要一定的動態(tài)驅動功率；

1.2 基本要求

1） 提供一定幅值的正反向電壓，一般來說柵極正向驅動電壓的幅值為 ，反向幅值電壓為 ；

2） 要求驅動電路具有隔離的輸入和輸出信號功能，同時信號傳輸要求無延時；

3） 具有非常小的輸出電阻；

4） 具有過壓保護和 保護功能；

5） 串聯(lián)合適的柵極電阻，柵極電阻過大，導通時間長，開關應力小，開關損耗大；柵極電阻小，開關應力大，開通時間短，開關損耗小；

6） 驅動電路要求具有一定的功率和較快的動態(tài)響應速度。

2、柵極驅動功率和峰值電流計算

柵極驅動電源的功率與柵極驅動正負偏置電壓的差值 、柵極總電荷 以及工作頻率 有關。

驅動電路電源的平均功率： ；

驅動電路電源的最大峰值電流： ；

1） 在大功率場合，特別是電流比較大的場合，每一個柵極驅動電路電路最好采用獨立的、分立的電源，且驅動電路和控制電路的電源最好獨立；

2） 通常選取柵極驅動電壓 ，其中系數(shù) 。

3、全控型器件驅動條件

（a） 和 與 （b） 開關損耗與+ （c） 浪涌電流與 （d） 開關損耗與-

圖 1 全控型器件參數(shù)與柵源電源之間的關系曲線

設計驅動電路時注意：

1） 由于全控型器件具有一定的閥值電壓，且有一個容性輸入阻抗，必須要保證有一條低阻抗的放電回路；

2） 驅動電路的電源內(nèi)阻一定要小。

4、驅動電路的基本形式

驅動信號地與主回路地之間一般需要隔離，常用的隔離的方法，有光耦隔離和脈沖變壓器隔離兩種方式，利用光耦隔離時有兩種方式，一是脈沖信號經(jīng)過高速光耦隔離以后，再通過驅動電路驅動開關器件工作，另一種方式是光耦本身帶有一定的驅動能力，可以通過光耦直接驅動一定功率等級的開關器件。

4.1 非隔離型驅動電路

1） 低電壓小電流的MOSFET可以采用三極管或者門電路的輸出直接驅動

（a）直接驅動型 （b）三極管放大驅動型

圖 2 驅動電路1

如圖2（a）所示的驅動電路是電壓比較器的輸出直接驅動MOSFET。

2） 脈沖信號經(jīng)過推挽放大或者三極管放大以后驅動開關器件

（a） 推挽驅動型 （b）隔離光耦直接驅動型

圖3 驅動電路2

4.2 隔離型驅動電路

4.2.1 光耦隔離直接驅動開關器件

如圖3（a）所示的驅動電路簡單，元器件數(shù)量少，存在的不足是光耦的傳輸速度和電流傳輸比收到限制，開關器件驅動脈沖的上升沿和下降沿在高速和大功率的情況下無法滿足要求。

4.2.2 光耦隔離后經(jīng)過放大后驅動開關器件

（a） 光耦隔離 （b）變壓器隔離

圖5隔離放大型驅動型電路

4.2.3 變壓器隔離型驅動開關器件

變壓器隔離驅動型電路如圖5（b）所示.

4.3 集成IC構成的驅動電路

4.3.1 小功率橋式逆變器集成驅動電路

圖7 IR2110驅動電路

4.3.2 大功率橋式逆變器集成驅動電路

圖8 2SD315AI驅動電路

該驅動的峰值電流可以達到15A左右，且每一個模塊輸出兩路互補的PWM波形，模塊本身具有短路保護和PWM狀態(tài)輸出，實用于大功率橋式逆變器的驅動。

5、常用的集成驅動電路用芯片

1） TLP250

由TLP250構成的光隔離的驅動電路的隔離電壓可以達到2500V，下降時間小于0.5US，輸出電流可以達到1.5A，可以直接驅動50A/1200V的IGBT，但是該芯片一般用在低頻的場合，開關頻率低于50KHz以下的場合。

2） M系列

三菱公司的M系列的驅動芯片，主要有M57957L、M57958L、M57959L、M57962L、M57958L*、M57962L*；

3） IR系列

IR公司的驅動芯片涵蓋了單個MOSFET驅動芯片、單相半橋驅動芯片以及三相全橋6路驅動信號的驅動芯片，主要有：IR2110、IR2130、IR2177、IR21771、IR2277、IR22771、IR2114、IR21141、IR2214以及IR22141。

4） SCALE集成驅動板

SCALE系列集成驅動板主要適用于大功率IGBT驅動，其成本高，主要安裝方式是直接貼在IGBT模塊上，在大功率電源的驅動方面有廣泛的用圖。主要有：2SD106A1、2SD106A1-17、2SD315A1、2SD106EI、2SD106EI-17等，這些模塊適用于不同電流和電壓等級的IGBT模塊。

5） EXB系列

富士公司的驅動芯片主要分為標準型和高速型兩個系列的驅動芯片，典型代表是標準型：EXB850、EXB851，高速型：EXB840、EXB841。

6） TX系列

主要有TX-KA、TX-KB、TX-KC以及TX-KD系列。

參考文獻

[1] 王兆安，黃俊.電力電子技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[2] 邢巖等.電力電子技術基礎[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[3] 郭榮祥，崔桂梅.電力電子應用技術[M].北京：高等教育出版社，2013.

作者簡介：梅建偉，男，1978.10，湖北麻城，副教授，碩士研究生，湖北汽車工業(yè)學院，主要從事電力電子變換技術以及電機控制技術方面的研究。