開關電源中大功率器件驅動電路的設計一向是電源領域的關鍵技術之一。普通大功率三極管和絕緣柵功率器件(包括VMOS場效應管和IGBT絕緣柵雙極性大功率管等),由于器件結構的不同,具體的驅動要求和技術也大不相同。前者屬于電流控制器件,要求合適的電流波形來驅動;后者屬于電場控制器件,要求一定的電壓來驅動。本文只介紹后者的情況。

　　VMOS場效應管(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構，直流電不能通過,因而低頻的靜態驅動功率接近于零。但是柵極和源極之間構成了一個柵極電容Cgs，因而在高頻率的交替開通和關斷時需要一定的動態驅動功率。小功率VMOS管的Cgs一般在10-100pF之內,對于大功率的絕緣柵功率器件,由于柵極電容Cgs較大，在1-100nF,甚至更大,因而需要較大的動態驅動功率。更由于漏極到柵極的密勒電容Cdg,柵極驅動功率是不可忽視的。

　　為可靠驅動絕緣柵器件，目前已有很多成熟電路。當驅動信號與功率器件不需要隔離時，驅動電路的設計是比較簡單的，目前也有了一些優秀的驅動集成電路，如IR2110。當需要驅動器的輸入端與輸出端電氣隔離時，一般有兩種途徑：采用光電耦合器，或是利用脈沖變壓器來提供電氣隔離。

　　光電耦合器的優點是體積小巧,缺點是：A.反應較慢，因而具有較大的延遲時間(高速型光耦一般也大于500ns)；B.光電耦合器的輸出級需要隔離的輔助電源供電。

　　用脈沖變壓器隔離驅動絕緣柵功率器件有三種方法：無源、有源和自給電源驅動。

　　無源方法就是用變壓器次級的輸出直接驅動絕緣柵器件，這種方法很簡單，也不需要單獨的驅動電源，但由于絕緣柵功率器件的柵源電容Cgs一般較大，因而柵源間的波形Vgs將有明顯變形，除非將初級的輸入信號改為具有一定功率的大信號，相應脈沖變壓器也應取較大體積。

　　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動絕緣柵功率器件，當然驅動波形好，但是需要另外提供隔離的輔助電源供給放大器。而輔助電源如果處理不當，可能會引進寄生的干擾。

　　自給電源方法的已有技術是對PWM驅動信號進行高頻(1MHz以上)調制，該信號加在隔離脈沖變壓器的初級，在次級通過直接整流得到自給電源，而原PWM調制信號則需經過解調取得，顯然，這種方法并不簡單, 價格當然也較高。調制的優點是可以傳遞的占空比不受限制。

　　分時式自給電源是北京落木源公司的創新技術，其特點是變壓器在輸入PWM信號的上升和下降沿只傳遞PWM信息，在輸入信號的平頂階段傳遞驅動所需要的能量，因而波形失真很小。這種技術的缺點是占空比一般只能達到5－95％。

　　市場上的驅動器產品簡介

　　當前市場上的成品驅動器,按驅動信號與被驅動的絕緣柵器件的電氣關系來分,可分為直接驅動和隔離驅動兩種,其中隔離驅動的隔離元件有光電耦合器和脈沖變壓器兩種。

　　不隔離的直接驅動器

　　在Boost、全波、正激或反激等電路中，功率開關管的源極位于輸入電源的下軌，PWM IC輸出的驅動信號一般不必與開關管隔離，可以直接驅動。如果需要較大的驅動能力,可以加接一級放大器或是串上一個成品驅動器。直接驅動的成品驅動器一般都采用薄膜工藝制成IC電路，調節電阻和較大的電容由外引腳接入。

　　目前的成品驅動器種類不少，如TI公司的UCC37XXX系列，TOSIBA公司的TPS28XX系列，Onsemi公司的MC3315X系列，SHARP公司的PC9XX系列，IR公司的IR21XX系列，等等，種類繁多，本文不作具體介紹，讀者可查閱相關資料。

　　使用光電耦合器的隔離驅動器

　　隔離驅動產品絕大部分是使用光電耦合器來隔離輸入的驅動信號和被驅動的絕緣柵器件，采用厚膜工藝制成HIC電路，部分阻容元件也由引腳接入。

　　目前市售的光電耦合型驅動器產品，主要有FUJI公司的EXB8XX系列、MITSUBISHI公司的M579XX系列、英達公司的HR065和西安愛帕克電力電子有限公司的HL402B等，以及北京落木源電子技術有限公司的TX-KA系列。TX-KA系列驅動器保護功能完善、工作頻率高、價格便宜，并能與多種其它類型的驅動器兼容。

　　此類產品，由于光電耦合器的速度限制，一般工作頻率都在50KHz以下(TX-KA101可達80K)。它們的優點是，大部分具有過流保護功能，其過電流信號是從IGBT的管壓降中取得的；共同的缺點是需要一個或兩個獨立的輔助電源，因而使用較為麻煩。

　　由于成本問題，該類產品價格稍高，因此只適用于在大功率電源中驅動IGBT模塊，在中小功率領域難以推廣使用。

　　變壓器隔離、一路電源輸入，自帶DC/DC輔助電源的驅動器

　　目前有CONCEPT公司的２SD315A和SEMIKRON公司的SKHI2２等，使用兩個脈沖變壓器傳遞半橋驅動信號，需要一路電源輸入，自帶一個DC/DC電源提供驅動所需的兩個輔助電源．輸出的驅動信號質量不錯，驅動能力也很強，但由于結構復雜，因而體積較大，價格不菲，只適用于特大功率電源中。上述兩種驅動板的信號傳遞采用的是調制技術。

　　北京落木源公司也開發了一款變壓器隔離的驅動器，型號為KB101，可以工作在較高的頻率上，但是需要用戶提供輔助電源。

　　變壓器隔離、調制式自給電源驅動器

　　調制式自給電源驅動器，采用變壓器進行電氣隔離，通過載頻傳遞驅動所需要的能量，通過調制信號傳遞PWM信息，因此可以通過0－100％占空比的PWM信號。目前的許多驅動板產品都采用這種技術，如西門康的SKHI27等。

　　單片式的調制驅動器，目前國外還未見有產品出售。但有一種2片組合式的，如UNITRODE公司的UC3724/25集成電路對，其中3724與驅動源相連，3725與被驅動的絕緣柵器件相連，3724與3725之間由用戶接入一個脈沖變壓器，在UC3724中將PWM信號調制到約１MHz的載波上，送到隔離脈沖變壓器的初級，次級輸出信號在UC3725中通過直接整流得到自給電源，通過解調取得原PWM信號。

　　國內的單片式調制驅動器，有北京落木源的TX-KE系列驅動器。

　　調制驅動器，除無需用戶提供輔助電源外，還具有隔離電壓高的特點，但是價格較高。

　　變壓器隔離、分時式自給電源驅動器

　　分時式自給電源驅動器產品的優點是：價格便宜，大中小功率的電源都可應用；驅動器自身不需要單獨的供電電源，簡化了電路；輸出驅動脈沖的延遲很少，上升和下降沿也相當陡峭；工作頻率較高；并且可在占空比5-95%的范圍內工作。

　　分時式自給電源驅動器的缺點是：當工作頻率較低時變壓器的體積較大，厚膜化困難，由于自給電源提供的能量有限、難以驅動300A/1200V以上的IGBT。

　　TX系列驅動器介紹

　　TX-KA系列IGBT驅動器

　　采用高速光電耦合器隔離，保護措施比較完備，具有信號封鎖功能，可以最大限度地保護IGBT。其中多個型號與國外產品兼容。KA102具有完善的三段式短路保護，可以驅動2000A/1700V的IGBT。

　　TX-KB系列IGBT驅動器

　　采用變壓器隔離，工作頻率比較高，具有較完善的保護功能，具有信號封鎖功能。

　　TX-KC系列IGBT驅動器

　　保護功能比較完善，具有信號封鎖功能，采用變壓器隔離，次級采用分時自給電源，無需用戶提供隔離電源。

　　TX-KD系列IGBT驅動器

　　種類較多，采用變壓器隔離，次級采用分時自給電源，占空比可達5-95%，使用方便，價格較低廉，能驅動各種單管和半橋、雙正激、同步整流電路中的雙管，但一般不適用于很低頻率的情況。

　　TX-KE系列MOSFET、IGBT驅動器

　　變壓器隔離，采用調制技術，次級采用調制式自給電源，無需用戶提供隔離電源；PWM開關信息通過調制傳遞到次級。工作頻率范圍寬，占空比可在0－100％之間。

IGBT驅動器正常輸出波形的測試

　　帶保護功能的驅動器和驅動板，用戶如要測試正常的靜態(不加主電情況下)輸出波形，需要注意以下幾點：

　　1、如果功率管IGBT或MOSFET已經連接在電路中了，則加上驅動電源和PWM輸入信號，就可以在輸出端用示波器看到相應的輸出信號。

2、如果功率管沒有接，只是在做一個輸出測試，那么必須將應接功率管集電極和發射極(或漏極和源極)的兩點予以短路才行。因為如果集電極或漏極懸空，那么驅動器或驅動板將認為功率管處于短路狀態而啟動內部的保護機制，這時看到的將是驅動器輸出的保護信號波形，無論是波形形狀還是周期都與輸入的PWM信號完全不同。

IGBT驅動器短路保護功能的測試

　　IGBT在應用中要解決的主要問題就是如何在過流、短路和過壓的情況下對IGBT實行比較完善的保護。過流故障一般需要稍長的時間才使電源過熱，因此對它的保護都由主控制板來解決。過壓一般發生在IGBT關斷時，較大的di/dt在寄生電感上產生了較高的電壓，這需要用緩沖電路來鉗制，或者適當降低關斷的速率。短路故障發生后瞬時就會產生極大的電流，很快就會損壞IGBT，主控制板的過流保護根本來不及，必須由驅動電路或驅動器立刻加以保護。

　　因此驅動器的短路保護功能設計的是否完善，對電源的安全運行至關重要。拿到一個驅動電路，使用前先測試一下它的短路保護功能是否完善，是很有必要的。本文介紹兩種測試方法。

　　1、第一種測試方法

　　圖中PWM信號送到驅動器的信號輸入端，故障后再啟動電容Creset＝10nF，Dhv是高反壓快恢復管，限流電阻Rlimit＝10－100R，電容C＝10－470uF。示波器可在驅動器的輸入和輸出端監測。如果不接Creset，則驅動器輸出端輸出的是約1ms的脈沖，也就是IGBT每1ms短路一次。考慮到有的IGBT在這種情況下時間長了仍有可能過熱燒毀，接入10nF的Creset后，則為約12ms短路一次，保證了IGBT的安全。

　　過流動作閾值設置電阻Rn的選取，請根據所試驅動器說明中的關于Rn的說明和所試驗IGBT的正向伏安特性曲線選取合適的阻值。

　　在單管電路的開關電源中，接入適當的Creset后，可以省去通常的短路信號反饋光耦，僅靠落木源驅動器自身就能保證IGBT的安全運行，這也是落木源產品的特點之一。

　　2、第二種測試方法

　　與第一種方法類似，只是不讓IGBT始終保持短路，用手工來短路A、B兩點。這種短路試驗比第一種更嚴酷，對驅動器的要求也更高，因為手工短路，不可能一下接實，實際是一連串的通斷過程。落木源的驅動器可以保證您的IGBT的安全。

　　注意：實驗時一定注意人身安全，最好在工頻輸入處加一個隔離變壓器。
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