開(kāi)關(guān)電源的產(chǎn)生與發(fā)展的必然性

隨著各種用電設(shè)備的飛速發(fā)展，特別是通訊產(chǎn)業(yè)的突飛猛進(jìn)，對(duì)電源不斷地提出新的要求：電功率要求不斷加大；電壓調(diào)節(jié)范圍要求越來(lái)越大；電流的穩(wěn)定性要求越 來(lái)越高；紋波與噪聲要求越來(lái)越低；體積要求越來(lái)越小等。為了適應(yīng)這種現(xiàn)狀，開(kāi)關(guān)電源的產(chǎn)生與發(fā)展成為了必然。

由于遠(yuǎn)程供電的需要，需研制一臺(tái)高壓大功率直流開(kāi)關(guān)電源。采用開(kāi)關(guān)電源主要是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源功率可以做大、電壓可以做高、電壓調(diào)節(jié)范圍可以做廣。但是在整個(gè) 研制過(guò)程中發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路是比較困難且重要的環(huán)節(jié)。目前開(kāi)關(guān)電源的國(guó)內(nèi)外發(fā)展速度很快，技術(shù)非常成熟。20世紀(jì)90年代以來(lái)，高頻變換技術(shù)飛速地發(fā)展，不斷 涌現(xiàn)了新型電力電子器件，高智能化IC和新電路拓?fù)?，?chuàng)造出10年前意想不到的許多新型穩(wěn)壓電源。現(xiàn)代電源技術(shù)正以空前的規(guī)模改造著傳統(tǒng)的舊式電器設(shè)備，廣泛進(jìn)入了國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人類生活的各個(gè)領(lǐng)域。

l驅(qū)動(dòng)電路的功能與特點(diǎn)

開(kāi)關(guān)電源的形式與種類很多，盡管各種不同的開(kāi)關(guān)電源能達(dá)到的性能指標(biāo)也各不相同，但總是由以下幾個(gè)部分組成：

(1)控制單元

一般都是由專門的集成電路擔(dān)當(dāng)這部分工作，也有用單片機(jī)、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(chǎng)效應(yīng)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(dǎo)通，低電平(－5～0 V)截止。其作用是開(kāi)關(guān)電源的核心。

(3)驅(qū)動(dòng)電路

這部分是開(kāi)關(guān)電源的靈魂，是連接控制單元與功率管的橋梁。控制單元出來(lái)的電平一般無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)功率管，需要有一個(gè)電平的轉(zhuǎn)換及電流驅(qū)動(dòng)；對(duì)于驅(qū)動(dòng)電路而言，功率管的柵極即為負(fù)載，一般的功率管柵源之間有一個(gè)寄生電容，故驅(qū)動(dòng)電路的負(fù)載是一個(gè)容性負(fù)載，若驅(qū)動(dòng)電流不夠，或提高頻率，方波會(huì)產(chǎn)生畸變，無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)目的。因此功率電子的驅(qū)動(dòng)是整個(gè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源中的功率開(kāi)關(guān)管要求在關(guān)斷時(shí)能迅速關(guān)斷，并能維持關(guān)斷期間的漏電流近似等于零；在導(dǎo)通時(shí)要求能迅速導(dǎo)通，并且維持導(dǎo)通期間的管壓降也近似等于 零。開(kāi)關(guān)管趨于關(guān)斷時(shí)的下降時(shí)間和趨于導(dǎo)通時(shí)的上升時(shí)間的快慢是降低開(kāi)關(guān)晶體管損耗功率，提高開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源效率的主要因素。要縮短這兩個(gè)時(shí)間，除選擇高反 壓、高速度、大功率開(kāi)關(guān)管以外，主要還取決于加在開(kāi)關(guān)管柵極的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)波形的要求如下：

①驅(qū)動(dòng)波形的正向邊緣一定要陡，幅度要大，以便減小開(kāi)關(guān)管趨于導(dǎo)通時(shí)的上升時(shí)間；

②在維持導(dǎo)通期間內(nèi)，要能保證開(kāi)關(guān)管處在飽和導(dǎo)通狀態(tài)，以減小開(kāi)關(guān)管的正向?qū)ü軌航?，從而降低?dǎo)通期間開(kāi)關(guān)管的集電極功率損耗；

③當(dāng)正向驅(qū)動(dòng)結(jié)束時(shí)，驅(qū)動(dòng)幅度要減小，以便使開(kāi)關(guān)管能很快地脫離飽和區(qū)，以減小關(guān)閉儲(chǔ)存時(shí)問(wèn)；

④驅(qū)動(dòng)波形的下降邊緣也一定要陡，幅度要大，以便減小開(kāi)關(guān)管趨于截止時(shí)的下降時(shí)間。

2 IR2110柵極驅(qū)動(dòng)抗干擾技術(shù)

IR2110是一種雙通道高壓、高速電壓型功率開(kāi)關(guān)器件柵極驅(qū)動(dòng)器，具有自居浮動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)電路十分簡(jiǎn)單，只用一個(gè)電源可同時(shí)驅(qū)動(dòng)上下橋臂。但是IR2110芯片有他本身的缺陷，不能產(chǎn)生負(fù)壓，在抗干擾方面比較薄弱，以下詳細(xì)結(jié)合實(shí)驗(yàn)介紹抗干擾技術(shù)。

2．1 芯片功能簡(jiǎn)介

IR2110包括：邏輯輸入、電平轉(zhuǎn)換、保護(hù)、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(duì)獨(dú)立。由于邏輯信號(hào)均通過(guò)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(gè)高壓MOS管推挽驅(qū)動(dòng)器的最大灌入或輸出電流可達(dá)2 A，上橋臂通道可以承受500 V的電壓。輸入與輸出信號(hào)之間的傳導(dǎo)延時(shí)較小，開(kāi)通傳導(dǎo)延時(shí)為120 ns，關(guān)斷傳導(dǎo)延時(shí)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(gè)15 V電源，邏輯地和模擬地接在一起。輸出端設(shè)有對(duì)功率電源VCC的欠壓保護(hù)，當(dāng)小于8．2 V時(shí)，封鎖驅(qū)動(dòng)輸出。

IR2110具有很多優(yōu)點(diǎn)：自舉懸浮驅(qū)動(dòng)電源可同時(shí)驅(qū)動(dòng)同一橋臂的上、下兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件，驅(qū)動(dòng)500 V主電路系統(tǒng)，工作頻率高，可以達(dá)到500 kHz；具有電源欠壓保護(hù)相關(guān)斷邏輯；輸出用圖騰柱結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)峰值電流為2 A；兩通道設(shè)有低壓延時(shí)封鎖(50 ns)。芯片還有一個(gè)封鎖兩路輸出的保護(hù)端SD，在SD輸入高電平時(shí)，兩路輸出均被封鎖。IR2110的優(yōu)點(diǎn)，給實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大方便，特別是自舉 懸浮驅(qū)動(dòng)電源大大簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)，只用一路電源即可完成上下橋臂兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)。IR2110的典型應(yīng)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(wèn)題，當(dāng)高壓側(cè)電壓緩慢地往上升時(shí)可以清楚地看見(jiàn)毛刺越來(lái)越嚴(yán)重，電壓很低時(shí)管子發(fā)熱嚴(yán)重，芯片很容易燒掉。這些問(wèn)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(fù)偏壓，如果用于驅(qū)動(dòng)橋式電路，在半橋電感負(fù)載電路下運(yùn)行，處于關(guān)斷狀態(tài)下的IGBT，由于其反并聯(lián)二極管的恢復(fù)過(guò)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(guān)斷時(shí)的上升率高。由于密勒效應(yīng)，此dv／dt在集電極，柵極問(wèn)電容內(nèi)產(chǎn)生電流，流向柵極驅(qū)動(dòng)電路，如圖3所示。雖然在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)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(yán)重的情況是該電壓達(dá)到閾值電壓，使IGBT導(dǎo)通，導(dǎo)致橋臂短路。IR2110驅(qū)動(dòng)輸出阻抗不夠小，沿柵極的灌人電流會(huì)在驅(qū)動(dòng)電壓上加上比較嚴(yán)重的毛刺干擾。

2．2 IR2110改進(jìn)抗干擾電路

針對(duì)IR2110的不足，對(duì)輸出驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了改進(jìn)，可以采用在柵極限流電阻上反并聯(lián)一個(gè)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(guān)斷期間將柵極驅(qū)動(dòng)電平箝位到零電平。在橋臂上管開(kāi)通期間驅(qū)動(dòng)信號(hào)使Q1導(dǎo)通、Q2截止，正常驅(qū)動(dòng)。上管關(guān)斷期間，Q1截止，Q2 柵極高電平，導(dǎo)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(yīng)產(chǎn)生的電流從Q2中流過(guò)，柵極驅(qū)動(dòng)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(fù)壓產(chǎn)生電路

在大功率IGBT場(chǎng)合，各路驅(qū)動(dòng)電源獨(dú)立，集成驅(qū)動(dòng)芯片一般都有產(chǎn)生負(fù)壓得功能，如EXB841系列，M57957系列等，在IGBT關(guān)斷期間柵極上施加 一個(gè)負(fù)電壓，一般為－3～－5 V。其作用也是為了增強(qiáng)IGBT關(guān)斷的可靠性。防止由于密勒效應(yīng)而造成的誤導(dǎo)通。IR2110芯片內(nèi)部雖然沒(méi)有產(chǎn)生負(fù)壓功能，但可以通過(guò)外加幾個(gè)無(wú)源器件 來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生負(fù)壓得功能，如圖5所示。在上下管驅(qū)動(dòng)電路中均加上由電容和5 V穩(wěn)壓管組成的負(fù)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(guò)Rg給Cg充電，Cg保持5 V的電壓，在LIN為高電平的時(shí)候，LO輸出0 V，此時(shí)S2柵極上的電壓為－5 V，從而實(shí)現(xiàn)了關(guān)斷時(shí)負(fù)壓。

對(duì)于上管S1，HIN為高電平時(shí)，HO輸出為20 V，加在柵極上的電壓為15 V。當(dāng)HIN為低電平時(shí)，HO輸出0 V，S1柵極為－5 V。

IGBT為電壓型驅(qū)動(dòng)器件，所以負(fù)壓負(fù)壓電容C5，C6上的電壓波動(dòng)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(dǎo)通的瞬間有一個(gè)短暫的充電過(guò)程。

IGBT的導(dǎo)通壓降一般小于3 V，負(fù)壓電容C5的充電在S2導(dǎo)通時(shí)完成。對(duì)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(fù)二極管，應(yīng)留有足夠的電流余量。此電路與一般的帶負(fù)壓驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)生負(fù)壓原理相同，直流母線上疊加了5 V的電壓。

2．2．3 IR2110結(jié)合隔離變壓器電路

上面2種方法已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是也有他的缺點(diǎn)，首先電路比最簡(jiǎn)單的應(yīng)用電路要復(fù)雜的多，其次所用的器件數(shù)目增多，成本增加，再次效果也并不是非常好，這主要是因?yàn)镮R2110芯片本身很容易受到開(kāi)關(guān)管的影響。

負(fù)載增大，電壓升高，IR2110的輸出波形就會(huì)變得很混亂，所以用常規(guī)的變壓器隔離和IR2110結(jié)合起來(lái)使用其電路圖如6所示，這種電路結(jié)合了經(jīng)典電路的部分內(nèi)容，大大地減小了負(fù)載對(duì)驅(qū)動(dòng)的影響，可以用于大功率場(chǎng)合，電路也比較簡(jiǎn)單，非常實(shí)用。

其工作原理為：電源電壓為20 V，在上電期間，電源通過(guò)Rg給Cg充電，Cg保持5 V的電壓，在LIN為高電平的時(shí)候，LO輸出0 V，此時(shí)S2柵極上的電壓為－5 V，從而實(shí)現(xiàn)了關(guān)斷時(shí)負(fù)壓。

對(duì)于上管S1，HIN為高電平時(shí)，HO輸出為20 V，加在柵極上的電壓為15 V。當(dāng)HIN為低電平時(shí)，HO輸出0 V，S1柵極為－5 V。

IGBT為電壓型驅(qū)動(dòng)器件，所以負(fù)壓負(fù)壓電容C5，C6上的電壓波動(dòng)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(dǎo)通的瞬間有一個(gè)短暫的充電過(guò)程。

IGBT的導(dǎo)通壓降一般小于3 V，負(fù)壓電容C5的充電在S2導(dǎo)通時(shí)完成。對(duì)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(fù) 二極管，應(yīng)留有足夠的電流余量。此電路與一般的帶負(fù)壓驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)生負(fù)壓原理相同，直流母線上疊加了5 V的電壓。

2．2．3 IR2110結(jié)合隔離變壓器電路

上面2種方法已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是也有他的缺點(diǎn)，首先電路比最簡(jiǎn)單的應(yīng)用電路要復(fù)雜的多，其次所用的器件數(shù)目增多，成本增加，再次效果也并不是非常好，這主要是因?yàn)镮R2110芯片本身很容易受到開(kāi)關(guān)管的影響。

負(fù)載增大，電壓升高，IR2110的輸出波形就會(huì)變得很混亂，所以用常規(guī)的變壓器隔離和IR2110結(jié)合起來(lái)使用其電路圖如6所示，這種電路結(jié)合了經(jīng)典電路的部分內(nèi)容，大大地減小了負(fù)載對(duì)驅(qū)動(dòng)的影響，可以用于大功率場(chǎng)合，電路也比較簡(jiǎn)單，非常實(shí)用。

3 結(jié) 語(yǔ)

各種各樣的IGBT驅(qū)動(dòng)電路都有他們的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，IR2110具有輕型、占用資源少、高可靠性、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。本文所提供的幾種抗干擾措 施也應(yīng)該根據(jù)具體情況進(jìn)行分析，當(dāng)然根據(jù)具體電路的不同應(yīng)該按照實(shí)際情況選擇電路，傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路也有他的優(yōu)點(diǎn)，光電耦合器也可以廣泛使用。

本文所提供的幾種抗干擾措施也應(yīng)該根據(jù)具體情況進(jìn)行分析，當(dāng)然根據(jù)具體電路的不同應(yīng)該按照實(shí)際情況選擇電路，傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路也有他優(yōu)點(diǎn)，光電藕合器也可以廣泛使用。