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IGBT驱动技术现状浅析

发布时间:2019-08-15 15:24:13

  概述

  中大功率器件驱动电路的设计一向是领域的关键技术之一。普通大功率三极管和绝缘栅功率器件(包括VMOS场效应管和IGBT绝缘栅双极性大功率管等),由于器件结构的不同,具体的驱动要求和技术也大不相同。前者属于电流控制器件,要求合适的电流波形来驱动;后者属于电场控制器件,要求一定的电压来驱动。本文只介绍后者的情况。

  VMOS场效应管(以及IGBT绝缘栅双极性大功率管等器件)的源极和栅极之间是绝缘的二氧化硅结构,直流电不能通过,因而低频的静态驱动功率接近于零。但是栅极和源极之间构成了一个栅极电容Cgs,因而在高频率的交替开通和关断时需要一定的动态驱动功率。小功率VMOS管的Cgs一般在pF之内,对于大功率的绝缘栅功率器件,由于栅极电容Cgs较大,在nF,甚至更大,因而需要较大的动态驱动功率。更由于漏极到栅极的密勒电容Cdg,栅极驱动功率是不可忽视的。

  为可靠驱动绝缘栅器件,目前已有很多成熟电路。当驱动信号与功率器件不需要隔离时,驱动电路的设计是比较简单的,目前也有了一些优秀的驱动集成电路,如IR2110。当需要驱动器的输入端与输出端电气隔离时,一般有两种途径:采用光电耦合器,或是利用脉冲来提供电气隔离。

  光电耦合器的优点是体积小巧,缺点是:A.反应较慢,因而具有较大的延迟时间(高速型光耦一般也大于500ns);B.光电耦合器的输出级需要隔离的辅助电源供电。

  用脉冲变压器隔离驱动绝缘栅功率器件有三种方法:无源、有源和自给电源驱动。

  无源方法就是用变压器次级的输出直接驱动绝缘栅器件,这种方法很简单,也不需要单独的驱动电源,但由于绝缘栅功率器件的栅源电容Cgs一般较大,因而栅源间的波形Vgs将有明显变形,除非将初级的输入信号改为具有一定功率的大信号,相应脉冲变压器也应取较大体积。

  有源方法中的变压器只提供隔离的信号,在次级另有整形放大电路来驱动绝缘栅功率器件,当然驱动波形好,但是需要另外提供隔离的辅助电源供给放大器。而辅助电源如果处理不当,可能会引进寄生的干扰。

  自给电源方法的已有技术是对PWM驱动信号进行高频(1MHz以上)调制,该信号加在隔离脉冲变压器的初级,在次级通过直接整流得到自给电源,而原PWM调制信号则需经过解调取得,显然,这种方法并不简单,价格当然也较高。调制的优点是可以传递的占空比不受限制。

  当前市场上的成品驱动器,按驱动信号与被驱动的绝缘栅器件的电气关系来分,可分为直接驱动和隔离驱动两种,其中隔离驱动的隔离元件有光电耦合器和脉冲变压器两种。

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