MOSFET及IGBT的驱动电路

时间:2023-03-14来源:佚名

功率MOSFET栅极驱动电路

功率MOSFET是场控型电力电子器件,它与前述SCRGTO等电流控制型器件不同,门极为栅极,输入阻抗很高,驱动电路相对简单得多。另外,由于MOSFET结电容形成的极间电容较大,因此MOSFET的栅极输入端相当于一个电容性负载,在管子导通时需要注入一定的电容充电电流,在导通后由于电场已建立,就不再需要驱动电流了。

功率MOSFET的栅极驱动电路有多种形式,以驱动电路与栅极的连接方式来分,有直接驱动与隔离驱动两种。

栅极直接驱动电路是最简单的一种形式,由于功率MOSFET的的输入阻抗很高,所以可以用TTL器件或CMOS器件直接进行驱动。图1是两种直接驱动的栅控电路。

MOSFET及IGBT的驱动电路

图1

1a)所示栅控电路是利用晶体管T的放大作用,使充电电流放大,加快了电场的建立,提高了MOSFET的导通速度。而图1b)是推挽式直接驱动电路,两个晶体管T1T2都使信号放大,提高了电路的工作速度,同时它们是作为射极输出器工作的,所以不会出现饱和状态,因此信号的传输无延迟。

栅极隔离驱动方式分电磁式隔离和光电式隔离,由此构成两类不同的栅极驱动电路。其中用脉冲变压器隔离的栅极驱动电路如图2所示。

MOSFET及IGBT的驱动电路

图2

2中的输入信号为高电平(on)时,T1导通,脉冲变压器的次边输出正脉冲,使T2导通,T3也立刻导通。T3的导通又保证T2在输入正脉冲时继续保持导通,所以T4也导通,从而MOSFET被可靠开通。当输入信号为低电平(off)时,T1截止,脉冲变压器输出负脉冲,所以T2T3T4都相继截止。这时因T5的发射极上有MOSFET的输入电容电压,而T5的基极经R4加有负脉冲,所以T5立即导通,从而使功率MOSFET关断。

IGBT栅控电路的基本要求

IGBT栅控电路的基本要求可以归纳为下列几点:

1.提供一定的正向和反向驱动电压,使IGBT能可靠地开通和关断。

2.提供足够大的瞬时驱动功率或瞬时驱动电流,使IGBT能及时迅速地建立栅控电场而导通。

3.具有尽可能小的输入、输出延迟时间,以提高工作频率。

4.足够高的输入输出电气隔离性能,使信号电路与栅极驱动电路绝缘。

5.具有灵敏的过电流保护能力。

IGBT器件与MOSFET器件一样,也是场控型器件,输入阻抗很高,但对于大功率IGBT,由于有相当大的输入电容,所以栅控电路应有足够大的正向电压和输出能力。栅极负偏压对IGBT的关断特性影响不大,但对于用在驱动电动机的逆变器电路中,为了使IGBT能稳定可靠地工作,还需要负偏压。同时栅极负偏压还能够防止IGBT在过大的dv/dt下发生误触发。

IGBT栅控电路中的栅极电阻RG对它的工作性能影响较大,取较大的RG,对抑制IGBT的电流上升率及降低元件上的电压上升率都有好处。但若RG过大,就会过分延长IGBT的开关时间,使开关损耗加大,这对高频的应用场合是很不利的。而过小的RG会使di/dt太大而引起IGBT的不正常或损坏,所以正确选择RG的原则是应在开关损耗不太大的情况下,选择略大的RGRG的具体数值还与栅控电路的具体结构形式及IGBT的电压、电流大小有关,大致在数欧姆到数十欧姆左右。

为了使栅极驱动电路与信号电路隔离,应采用抗噪音能力强、信号传输时间短的光耦合器件。另外,IGBT的门极与发射极之间的引线应尽量短,并且这两根引线应该绞合后使用,以减少栅极电感和干扰信号的进入。

IGBT集成驱动电路

集成化模块构成的IGBT栅控电路因其性能可靠、使用方便,从而得到了普遍应用,也是驱动电路的发展方向。

各大公司均有不同系列的IGBT驱动模块,其基本功能类似,各项控制性能也在不断提高。

例如富士公司的EXB系列驱动模块内部带有光耦合器件和过电流保护电路,它的功能如图3所示。

MOSFET及IGBT的驱动电路

图3

EXB系列驱动模块与IGBT之间的外部接口电路如图4所示。驱动信号经过外接晶体管的放大,由管脚14和管脚15输入模块。过电流保护信号由测量反映元件电流大小的通态电压vCE 得出,再经过外接的光耦器件输出,过电流时使IGBT立即关断。二只33uF的外接电容器用于吸收因电源接线所引起的供电电压的变化。管脚1和管脚3的引线分别接到IGBT的发射极E和门极G,引线要尽量短,并且应采用绞合线,以减少对栅极信号得到干扰。图中D为快速恢复二极管。

MOSFET及IGBT的驱动电路

图4

由于IGBT在发生短路后是不允许过快地关断,因为此时短路电流已相当大,如果立即过快关断会造成很大的di/dt,这在线路分布电感的作用下会在IGBT上产生过高的冲击电压,极易损坏元件。所以在发生短路后,首先应通过减小栅极正偏置电压,使短路电流得以抑制,接着再关断IGBT,这就是所谓“慢关断技术”,这一功能在某些公司生产的模块中已有应用。

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