張加嶺，李善波，侯穎釗，趙 杰，張 寧，苗 飛

（國網(wǎng)徐州供電公司，江蘇徐州221000）

1 引言

電力電子裝置的小型化對(duì)功率開關(guān)器件的工作頻率提出了越來越高的要求，各種全控型功率器件相繼出現(xiàn)，已經(jīng)在開關(guān)變換器中得到了廣泛應(yīng)用。MOSFET是一種單極性器件，沒有少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)，工作頻率可達(dá)幾十kHz至MHz，具有驅(qū)動(dòng)功率小、功率容量大等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用在逆變器上的MOSFET能比其他功率元件提供更好效益，其中包括高載流能力，并能與逆并聯(lián)二極管配合使用。本文提出了一種工作頻率為16kHz且具有較強(qiáng)負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力和抗干擾能力的MOSFET隔離性驅(qū)動(dòng)電路[1]。

2 MOSFET工作原理

金屬－氧化層半導(dǎo)體場效晶體管，簡稱金氧半場效晶體管（Metal－Oxide－Semiconductor Field－Effect Transistor，MOSFET）是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管。MOSFET根據(jù)其“通道”極性的不同分為“N型”和“P型”兩大類。MOSFET是用柵極電壓來控制漏極電流的，因此它的第一個(gè)顯著特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。其第二個(gè)顯著特點(diǎn)是開關(guān)速度快，工作頻率高。

圖1 平面N溝道增強(qiáng)型MOSFET

要使增強(qiáng)型N溝道MOSFET工作，需在 G、S之間加正電壓 VGS，在D、S之間加正電壓VDS，則可產(chǎn)生正向工作電流ID。改變VGS的電壓可控制工作電流ID。若先不接VGS（即VGS＝0），在D與S極之間加一正電壓VDS，則漏極D與襯底之間的PN結(jié)處于反向，漏源之間不能導(dǎo)電。如果在柵極G與源極S之間加一電壓VGS，則可將柵極與襯底看作是電容器的兩個(gè)極板，而氧化物絕緣層則看作為電容器的介質(zhì)。當(dāng)加上VGS時(shí)，在絕緣層和柵極界面上可感應(yīng)出正電荷，而在絕緣層和P型襯底界面上可感應(yīng)出負(fù)電荷（如圖2所示）。這層感應(yīng)的負(fù)電荷和P型襯底中的多數(shù)載流子（空穴）的極性相反，所以稱為“反型層”，這反型層有可能將漏與源的兩N型區(qū)連接起來形成導(dǎo)電溝道。

圖2 增強(qiáng)型MOSFET導(dǎo)通原理

3 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

MOSFET對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求為：①柵極電壓必須高于母線電壓10V～15V，而且柵極電壓可能是系統(tǒng)中的最高電壓；②柵極的驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)隨源極電位的變化而對(duì)地浮動(dòng)；③驅(qū)動(dòng)電路吸收的功率很小，對(duì)系統(tǒng)總效率的影響幾乎可以忽略不計(jì)[2]。下面是幾種常用的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路[3]：

（1）柵－源浮動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)（如圖3a所示）：每個(gè)MOSFET高壓側(cè)需要一個(gè)隔離電源，電平轉(zhuǎn)換電路錯(cuò)綜復(fù)雜；

（2）變壓器隔離驅(qū)動(dòng)（如圖3b所示）：雖然簡單便宜，但用于寬占空比范圍時(shí)技術(shù)復(fù)雜，且在頻率下降時(shí)變壓器尺寸顯著增加；

（3）自舉驅(qū)動(dòng)（如圖3c所示）：雖簡單便宜，但具有與圖3b類似的限制，即占空比和開通時(shí)間都受自舉電容刷新的限制；

（4）電荷泵電路構(gòu)成MOSFET驅(qū)動(dòng)電路（如圖3d所示）：功率管可以得到很好的開關(guān)波形，同時(shí)電路具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 幾種常用的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

4 基于IR2130的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

IR公司推出的六輸出高壓柵極驅(qū)動(dòng)器IR2130，其為28腳雙列直插芯片。該電路基于自舉驅(qū)動(dòng)方法，驅(qū)動(dòng)信號(hào)延時(shí)為ns級(jí)，開關(guān)頻率可從數(shù)十赫茲至數(shù)百千赫。IR2130具有六路輸入信號(hào)和六路輸出信號(hào)，其中六路輸出信號(hào)中的三路具有電平轉(zhuǎn)換功能，可直接驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)的功率器件。該驅(qū)動(dòng)器可與主電路共地運(yùn)行，且只需一路控制電源，克服了常規(guī)驅(qū)動(dòng)器需要多路隔離電源的缺點(diǎn)，大大簡化了硬件設(shè)計(jì)。

IR2130有六個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器，其信號(hào)取自三個(gè)輸人信號(hào)發(fā)生器，每個(gè)發(fā)生器提供兩個(gè)輸出。三個(gè)低側(cè)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)直接取自信號(hào)發(fā)生器Ll、L2、L3，而高側(cè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)Hl、H2、H3則必須通過電平轉(zhuǎn)換方能用于高側(cè)輸出驅(qū)動(dòng)器[3]。

4.1 輸入邏輯控制

六個(gè)輸人中任何一個(gè)為邏輯低電平時(shí)，相應(yīng)的輸出將為高電平，真值表如表1所示。

表1 IR2130輸入輸出真值表

4.2 IR2130的自舉電路[4]

IR2130除集成了一個(gè)全橋的驅(qū)動(dòng)器以及各種保護(hù)功能外，最主要的技術(shù)是對(duì)自舉技術(shù)的巧妙應(yīng)用。如圖4所示，Vbs（驅(qū)動(dòng)電路Vb與Vs管腳之間的電壓差）給功率主電路上橋臂提供電源。

自舉電源主要由二極管和電容組成，電路工作原理如下：當(dāng)Vs通過下端器件被拉到地電位時(shí)，15V的VCC電源通過自舉二極管（Dbs）給自舉電容（Cbs）充電，因此Vb與Vs之間產(chǎn)生一個(gè)接近于VCC的電勢(shì)差；當(dāng)Vdc導(dǎo)通后，Vs的電壓變成主電路的電源電壓，由于自舉二極管的單向?qū)ㄐ?，Vbs的電壓基本維持不變，但Vb相對(duì)于功率地的電平卻變成了Vdc＋Vbs，這就是“自舉”名稱的由來。顯然，Vbs為上橋臂驅(qū)動(dòng)提供了一個(gè)懸浮電源。IR2130集成芯片同時(shí)提供了Vbs的欠壓保護(hù)，當(dāng)Vbs電壓下降到8.35V以下時(shí)，將關(guān)閉高端驅(qū)動(dòng)輸出，從而保證了CMOS管不會(huì)在高功耗下工作。下面就自舉電容和自舉二極管的選擇做一些分析。

圖4 IR2130的自舉電路

首先要指出的是，以下五個(gè)方面會(huì)影響自舉電源的工作：

a.驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)功率器件所需要的電荷；

b.高端驅(qū)動(dòng)電路靜態(tài)電流的大?。?/p>

c.驅(qū)動(dòng)IR2130中電平轉(zhuǎn)換電路的電流大??；

d.CMOS管柵源漏電流大??；

e.自舉電容的漏電流（僅當(dāng)自舉電容為電解電容時(shí)考慮）。

依據(jù)上述因素可得自舉電容應(yīng)該提供的最小電荷要求：

其中，Qgs—高端功率器件柵極電荷；f—功率器件的工作頻率；Icbs（leak）—自舉電容的漏電流；Iqbs（max）—高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)部分的靜態(tài)電流；QIs—每個(gè)周期內(nèi)IR2130內(nèi)部電平轉(zhuǎn)換所需的電荷量。自舉電容必須能夠提供這些電荷，并且保持其電壓基本不變。否則，Vbs將會(huì)有很大的電壓紋波，并且可能低于欠壓值 VVSUV（8.35），使高端無輸出并停止工作。因此，Cbs電容的電荷應(yīng)該至少是最小電荷的2倍。最小電容值可以由下式計(jì)算得出：

其中，Vf—自舉二極管正向壓降，Vis—低端器件壓降。由上式計(jì)算得到的數(shù)值僅僅是自舉電容的最小容值，考慮到工作的可靠性，自舉電容的實(shí)際容值一般都選為最小容值的15倍以上。

在實(shí)際電路設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)當(dāng)注意，低壓側(cè)功率器件的開通時(shí)間（或高壓側(cè)器件的關(guān)斷時(shí)間）有一個(gè)最小的要求。

下面討論一下自舉二極管的選擇問題。在高壓側(cè)器件導(dǎo)通時(shí)，自舉二極管必須能夠阻止母線的高電壓，并且應(yīng)該用快恢復(fù)二極管，以減小從自舉電容向電源VCC的回饋電荷。如果電容需要長期貯存電荷時(shí)，高溫反向漏電流指標(biāo)也很重要。

綜上所述，可得自舉二極管DBS的指標(biāo)如下：

二極管的反向電壓：

二極管反向恢復(fù)時(shí)間：trr＞100ns

最大正向電流：IF＞QBS×f

由此可以得到如圖5所示的驅(qū)動(dòng)電路圖。

4.3 故障邏輯

ITRIP是過流保護(hù)的邏輯輸入信號(hào)，該信號(hào)來自于由內(nèi)部放大器、外部電阻、電位器構(gòu)成的比較電路，電流比較輸出與電源欠壓監(jiān)測(cè)電路接入封鎖邏輯電路。一旦信號(hào)高電平有效，則封鎖6個(gè)輸出通道，同時(shí)送出一個(gè)故障信號(hào)給外部電路，實(shí)現(xiàn)在過流或欠壓情況下通過封鎖驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)來達(dá)到保護(hù)IGBT的目的。

圖5 IR2130控制的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

4.4 電流信號(hào)放大器

IR2130提供了一個(gè)信號(hào)放大器，以使三相逆變橋直流電源返回支路中的電流可以被檢測(cè)到。檢測(cè)電阻R所檢出的電壓（0～0.5V）可由電流放大器放大為0～5V的模擬信號(hào)并從CAO輸出，用于外部控制電路。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形圖如圖6所示。

從圖中可以看出，圖 6（a）、圖 6（b）、圖 6（c）、圖6（d）、圖 6（e）、圖 6（f）分別為三相逆變電路的 A 相上、B相上、C相上、A相下、B相下、C相下輸入輸出的橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)已經(jīng)適用于16kHz的高頻驅(qū)動(dòng)，說明IR2130的驅(qū)動(dòng)可行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明三相逆變電路MOSFET驅(qū)動(dòng)電路已經(jīng)可以正常工作，且同一橋臂的兩個(gè)MOSFET驅(qū)動(dòng)電路可以比較精確地進(jìn)行同步。

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形圖

6 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的采用IR2130驅(qū)動(dòng)芯片的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路工作穩(wěn)定可靠，可滿足快速高效、電氣隔離、較強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力、較強(qiáng)抗干擾能力等要求。該MOSFET驅(qū)動(dòng)電路目前已成功應(yīng)用于一臺(tái)逆變器樣機(jī)中，且經(jīng)長時(shí)間運(yùn)行和監(jiān)測(cè)，其工作性能穩(wěn)定可靠?？梢姡捎昧薎R2130的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路能夠很好地滿足工況需求。