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MOSFET及IGBT的驱动电路
接线图
2023年07月21日 22:53 231
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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SCR及GTO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。
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图1 |
图1（a）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1（b）是推挽式直接驱动电路，两个晶体管T1和T2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。
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图2 |
图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T2、T3、T4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
对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RG。RG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。
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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。
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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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