l驅(qū)動電路的功能與特點

　　開關電源的形式與種類很多，盡管各種不同的開關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。其作用是開關電源的核心。

　　(3)驅(qū)動電路

　　這部分是開關電源的靈魂，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。

　　開關穩(wěn)壓電源中的功率開關管要求在關斷時能迅速關斷，并能維持關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。開關管趨于關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晶體管損耗功率，提高開關穩(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、大功率開關管以外，主要還取決于加在開關管柵極的驅(qū)動信號。驅(qū)動波形的要求如下：

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

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

　?、郛斦蝌?qū)動結(jié)束時，驅(qū)動幅度要減小，以便使開關管能很快地脫離飽和區(qū)，以減小關閉儲存時問;

　?、茯?qū)動波形的下降邊緣也一定要陡，幅度要大，以便減小開關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

　　IR2110是一種雙通道高壓、高速電壓型功率開關器件柵極驅(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。

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。

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)