MOSFET、IGBT絕緣柵極隔離驅(qū)動技術(shù)-KIA MOS管

MOSFET以及IGBT絕緣柵雙極性大功率管等器件的源極和柵極之間是絕緣的二氧化硅結(jié)構(gòu)，直流電不能通過，因而低頻的表態(tài)驅(qū)動功率接近于零。但是柵極和源極之間構(gòu)成了一個柵極電容Cgs，因而在高頻率的交替開通和需要關(guān)斷時需要一定的動態(tài)驅(qū)動功率。

小功率MOSFET的Cgs一般在10-100pF之內(nèi)，對于大功率的絕緣柵功率器件，由于柵極電容Cgs較大。一般在1-100nF之間，因而需要較大的動態(tài)驅(qū)動功率。更由于漏極到柵極的密勒電容Cdg，柵極驅(qū)動功率往往是不可忽視的。

因IGBT具有電流拖尾效應(yīng)，在關(guān)斷時要求更好的抗干擾性，需要負(fù)壓驅(qū)動。MOSFET速度比較快，關(guān)斷時可以沒有負(fù)壓，但在干擾較重時，負(fù)壓關(guān)斷對于提高可靠性有很大好處。

柵極隔離驅(qū)動

ADuM4120柵極驅(qū)動器

隔離驅(qū)動技術(shù)

1、光電耦合器隔離的驅(qū)動器

光電耦合器的優(yōu)點是體積小巧，缺點是：A、反應(yīng)較慢，因而具有較大的延遲時間(高速型光耦一般也大于300ns);B、光電耦合器的輸出級需要隔離的輔助電源供電。

2、無源變壓器驅(qū)動

用脈沖變壓器隔離驅(qū)動絕緣柵功率器件有三種方法：無源、有源和自給電源驅(qū)動。無源方法就是用變壓器次級的輸出直流驅(qū)動絕緣柵器件，這種方法很簡單也不需要單獨的驅(qū)動電源。

缺點是輸出波型失真較大，因為絕緣柵功率器件的柵源電容Cgs一般較大。減小失真的辦法是將初級的輸入信號改為具有一定功率的大信號，相應(yīng)脈沖變壓器也應(yīng)取較大體積，但在大功率下，一般仍不令人滿意。

另一缺點是當(dāng)占空比變化較大時，輸出驅(qū)動脈沖的正負(fù)幅值變化太大，可能導(dǎo)致工作不正常，因此只適用于占空比變化不大的場合。

3、有源變壓器驅(qū)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(qū)動絕緣柵功率器件，當(dāng)然驅(qū)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(dāng)，可能會引進(jìn)寄生的干擾。

4、調(diào)制型自給電源的變壓器隔離驅(qū)動器

采用自給電源技術(shù)，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(dāng)然是不錯的方法。目前自給電源的產(chǎn)生有調(diào)制和從分時兩種方法。

調(diào)制技術(shù)是比較經(jīng)典的方法，即對PWM驅(qū)動信號進(jìn)行高頻(幾個MHZ以上)調(diào)制，并將調(diào)制信號加在隔離脈沖變壓器初級，在次級通過直接整流得到自給電源，而原PWM調(diào)制信號則需經(jīng)過解調(diào)取得，顯然，這種方法并不簡單。調(diào)制式的另一缺點是PWM的解調(diào)要增加信號的延時，調(diào)制方式適于傳遞較低頻率的PWM信號。

5、分時型自給電源的變壓器隔離驅(qū)動器

分時技術(shù)是一種較新的技術(shù)，其原理是，將信號和能量的傳送采取分別進(jìn)行的方法，即在變壓器輸入PWM信號的上升和下降沿傳遞信息，在輸入信號的平頂階段傳遞驅(qū)動所需要的能量。

由于在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脈沖的延時和畸變都很小，能獲得陡峭的驅(qū)動輸出脈沖。分時型自給電源驅(qū)動器的不足是用于低頻時變壓器的體積較大，此外由于自給能量的限制，驅(qū)動超過300A/1200V的IGBT比較困難。

下圖中顯示了ADuM4121柵極驅(qū)動器的典型設(shè)置，采用半橋配置，采用功率MOSFET，適用于電源和電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用。在這樣的設(shè)置中，如果兩個Q1和 Q2同時打開，由于電源和接地端子短路，有可能擊穿。這可能會永久損壞開關(guān)甚至驅(qū)動電路。為避免擊穿，必須在系統(tǒng)中插入死區(qū)時間，以便大大降低兩個開關(guān)同時打開的可能性。

在死區(qū)時間間隔內(nèi)，兩個開關(guān)的柵極信號都很低，因此，開關(guān)理想情況下處于關(guān)斷狀態(tài)。如果傳播延遲偏差較低，則所需的死區(qū)時間較低，并且控制變得更加可預(yù)測。具有更低的偏斜和更低的死區(qū)時間，可實現(xiàn)更平穩(wěn)、更高效的系統(tǒng)運行。

柵極隔離驅(qū)動