大功率mos管驅(qū)動(dòng)芯片電路
功率開關(guān)器件在電力電子設(shè)備中占領(lǐng)著中心位置,它的牢靠工作是整個(gè)安裝正常運(yùn)轉(zhuǎn)的根本條件。功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路是主電路與控制電路之間的接口,是電力電子安裝的重要局部。它對(duì)整個(gè)設(shè)備的性能有很大的影響,其作用是將控制回路輸出的控制脈沖放大到足以驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)器件。簡(jiǎn)而言之,驅(qū)動(dòng)電路的根本任務(wù)就是將控制電路傳來的信號(hào),轉(zhuǎn)換為加在器件控制端和公共端之間的能夠使其導(dǎo)通和關(guān)斷的信號(hào)。
同樣的mos管功率器件,采用不同的驅(qū)動(dòng)電路將得到不同的開關(guān)特性。采用性能良好的驅(qū)動(dòng)電路能夠使功率開關(guān)器件工作在比擬理想的開關(guān)狀態(tài), 同時(shí)縮短開關(guān)時(shí)間,減小開關(guān)損耗,對(duì)安裝的運(yùn)轉(zhuǎn)效率,牢靠性和平安性都有重要的意義。因而驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)劣直接影響主電路的性能,驅(qū)動(dòng)電路的合理化設(shè)計(jì)顯得越來越重要。晶閘管體積小,重量輕,效率高,壽命長(zhǎng),運(yùn)用便當(dāng),能夠便當(dāng)?shù)耐V拐骱湍孀?,且能夠在不改?dòng)電路構(gòu)造的前提下,改動(dòng)整流或逆變電流的大小。IGBT 是 mosFET 和 GTR的復(fù)合器件,它具有開關(guān)速度快、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動(dòng)功率小和驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的特性,又具有通態(tài)壓降小、耐壓高和接受電流大等優(yōu)點(diǎn)。IGBT作為主流的功率輸出器件, 特別是在大功率的場(chǎng)所,曾經(jīng)被普遍的應(yīng)用于各個(gè)范疇。
mos管開關(guān)器件理想的驅(qū)動(dòng)電路
(1)功率開關(guān)管開通時(shí),驅(qū)動(dòng)電路可以提供快速上升的基極電流,使得開啟時(shí)有足夠的驅(qū)動(dòng)功率,從而減小開通損耗。
(2)開關(guān)管導(dǎo)通期間,mos驅(qū)動(dòng)電路提供的基極電流在任何負(fù)載狀況下都能保證功率管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài),保證比擬低的導(dǎo)通損耗。為減小存儲(chǔ)時(shí)間,器件關(guān)斷前應(yīng)處于臨界飽和狀態(tài)。
(3)關(guān)斷時(shí),驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供足夠的反向基極驅(qū)動(dòng),以疾速的抽出基區(qū)的剩余載流子,減小存儲(chǔ)時(shí)間; 并加反偏截止電壓,使集電極電流疾速降落以減小降落時(shí)間。當(dāng)然,晶閘管的關(guān)斷主要還是靠反向陽(yáng)極壓降來完成關(guān)斷的。
目前來說,關(guān)于晶閘管的驅(qū)動(dòng)用的比擬多的只是經(jīng)過變壓器或者光耦隔離來把低壓端與高壓端隔開,再經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路來驅(qū)動(dòng)晶閘管的導(dǎo)通。而關(guān)于 IGBT來說目前用的較多的是 IGBT 的驅(qū)動(dòng)模塊,也有集成了 IGBT、 系統(tǒng)自維護(hù)、 自診斷等各個(gè)功用模塊的 IPM。
本文針對(duì)我們所用到的晶閘管,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)電路,并停止實(shí)考證明了它能夠驅(qū)動(dòng)晶閘管。而關(guān)于 IGBT的驅(qū)動(dòng),本文主要引見了目前主要的幾種 IGBT 的驅(qū)動(dòng)方式,以及與它們相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路,并對(duì)最常用的光耦隔離的驅(qū)動(dòng)方式停止了仿真實(shí)驗(yàn)。
大功率mos管驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)與剖析
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)總電路圖如下圖所示首先是升壓電路,由于后級(jí)的隔離變壓器電路中的 MOS 管器件需求 15V 的觸發(fā)信號(hào),所以,需求先把幅值 5V 的觸發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)成 15V 的觸發(fā)信號(hào),經(jīng)過 MC14504 把 5V 的信號(hào), 轉(zhuǎn)換成為 15V的信號(hào),然后再經(jīng)過 CD4050 對(duì)輸出的 15V 驅(qū)動(dòng)信號(hào)整形, 實(shí)驗(yàn)的波形圖如圖所示, 通道 2 接的是 5V 輸入信號(hào),通道 1 接的是輸出的 15V 的觸發(fā)信號(hào)。
第二局部是隔離變壓器電路,實(shí)驗(yàn)電路圖如圖 4所示,該電路的主要功用是:把 15V 的觸發(fā)信號(hào),轉(zhuǎn)換成為 12V 的觸發(fā)信號(hào)去觸發(fā)后面的晶閘管的導(dǎo)通,并且做到 15V 的觸發(fā)信號(hào)與后級(jí)之距離。
該電路的工作原理是:由于 MOS 管 IRF640 的驅(qū)動(dòng)電壓為 15V,所以,首先是在 J1 處接入 15V 的方波信號(hào),經(jīng)過電阻 R4 接穩(wěn)壓管 1N4746,使觸發(fā)電壓穩(wěn)定,也使得觸發(fā)電壓不至于過高,燒壞 MOS 管,然后接到 MOS 管 IRF640(其實(shí)這就是個(gè)開關(guān)管,控制后端的開通和關(guān)斷) , MOS 管的工作圖如下圖, 經(jīng)過控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比, 能夠控制 MOS 管的開通和關(guān)斷時(shí)間。當(dāng) MOS 管開通時(shí),相當(dāng)于它的 D 極接地,關(guān)斷時(shí)是斷開的,經(jīng)過后級(jí)電路相當(dāng)于接 24V。而變壓器就是經(jīng)過電壓的變化來使右端輸出 12V 的信號(hào)。變壓器右端接一個(gè)整流橋,然后從接插件 X1 輸出 12V的信號(hào)。下圖 6 為該實(shí)驗(yàn)電路的仿真波形圖,為了便當(dāng)看清,我把 B 通道的正負(fù)引腳顛倒,測(cè)出圖中的電壓為負(fù)的,不過幅值是正確的。圖 7 是該電路的實(shí)驗(yàn)波形圖,與仿真波形圖一樣。
實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題
首先,開端上電時(shí),保險(xiǎn)絲忽然熔斷,后來查電路時(shí)發(fā)現(xiàn)最初的電路設(shè)計(jì)有問題。最初為了它的開關(guān)管輸出的效果更好,把24V的地和15V 的地隔開,這就使得MOS管的門極G極相當(dāng)于后面的S極是懸空的,招致誤觸發(fā)。處理方法是把24V和15V的地接在一同,再次停止實(shí)驗(yàn),電路工作正常。電路銜接正常,但是當(dāng)參加驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí),MOS管發(fā)熱,加驅(qū)動(dòng)信號(hào)一段時(shí)間后,保險(xiǎn)絲熔斷,再加驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí),保險(xiǎn)絲直接熔斷。檢查電路發(fā)現(xiàn),驅(qū)動(dòng)信號(hào)的高電平占空比過大,招致MOS管的開通時(shí)間太長(zhǎng)。這個(gè)電路的設(shè)計(jì)使得當(dāng)MOS管開通時(shí),24V直接加到MOS管的兩端,并沒有加限流電阻,假如導(dǎo)通時(shí)間過長(zhǎng)就使得電流過大,MOS管損壞,需求調(diào)理信號(hào) 的占空比不能太大,普通在 10%~20%左右。
為了驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)電路的可行性,我們用它來驅(qū)動(dòng)串連在一同的晶閘管電路,實(shí)驗(yàn)電路圖如下圖8所示,互相串聯(lián)的晶閘管再反并聯(lián)后,接入帶有感抗的電路中,電源是 380V 的交流電壓源。
在這個(gè)電路中,晶閘管Q2、Q8的觸發(fā)信號(hào)經(jīng)過G11和G12接入,而Q5、Q11的觸發(fā)信號(hào)經(jīng)過G21、G22接入。在驅(qū)動(dòng)信號(hào)接到晶閘管門級(jí)之前,為了進(jìn)步晶閘管的抗干擾才能,在晶閘管的門極銜接一個(gè)電阻和電容。這個(gè)電路接電感后,再投入到主電路中。經(jīng)過控制晶閘管的導(dǎo)通角,來控制大電感投入到主電路的時(shí)間, 上下電路的觸發(fā)信號(hào)的相角相差半個(gè)周期,上路的 G11 和G12是一路的觸發(fā)信號(hào),經(jīng)過前級(jí)的驅(qū)動(dòng)電路中的隔離變壓器互相隔離,下路的 G21 和 G22同樣也是隔離的同一路信號(hào)。 實(shí)驗(yàn)波形圖如圖 9 所示,兩路的觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)反并聯(lián)晶閘管電路正反導(dǎo)通,上面的 1 通道接的是整個(gè)晶閘管電路的電壓,在晶閘管導(dǎo)通時(shí)它變?yōu)?0,而 2、3 通道接的是晶閘管電路上下路的觸發(fā)信號(hào),4 通道測(cè)得是流過整個(gè)晶閘管的電流。
通道測(cè)得有正向的觸發(fā)信號(hào)時(shí),觸發(fā)上面的晶閘管導(dǎo)通,電流為正;3 通道測(cè)得有反向的觸發(fā)信號(hào)時(shí),觸發(fā)下路的晶閘管導(dǎo)通,電流為負(fù)。
大功率mos管驅(qū)動(dòng)芯片結(jié)構(gòu)
大功率mos管驅(qū)動(dòng)芯片結(jié)構(gòu)如下在一塊摻雜濃度較低的P型半導(dǎo)體硅襯底上,用半導(dǎo)體光刻、擴(kuò)散工藝制作兩個(gè)高摻雜濃度的N+區(qū),并用金屬鋁引出兩個(gè)電極,分別作為漏極D和源極S。然后在漏極和源極之間的P型半導(dǎo)體表面復(fù)蓋一層很薄的二氧化硅(Si02)絕緣層膜,在再這個(gè)絕緣層膜上裝上一個(gè)鋁電極,作為柵極G。這就構(gòu)成了一個(gè)N溝道(NPN型)增強(qiáng)型MOS管。顯然它的柵極和其它電極間是絕緣的。圖1-1所示 A 、B分別是它的結(jié)構(gòu)圖和代表符號(hào)。
同樣用上述相同的方法在一塊摻雜濃度較低的N型半導(dǎo)體硅襯底上,用半導(dǎo)體光刻、擴(kuò)散工藝制作兩個(gè)高摻雜濃度的P+區(qū),及上述相同的柵極制作過程,就制成為一個(gè)P溝道(PNP型)增強(qiáng)型MOS管。圖1-2所示A 、B分別是P溝道MOS管道結(jié)構(gòu)圖和代表符號(hào)。
大功率mos管驅(qū)動(dòng)芯片工作原理
從圖可以看出,增強(qiáng)型MOS管的漏極D和源極S之間有兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。當(dāng)柵-源電壓VGS=0時(shí),即使加上漏-源電壓VDS,總有一個(gè)PN結(jié)處于反偏狀態(tài),漏-源極間沒有導(dǎo)電溝道(沒有電流流過),所以這時(shí)漏極電流ID=0。
此時(shí)若在柵-源極間加上正向電壓,圖上圖所示,即VGS>0,則柵極和硅襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個(gè)柵極指向P型硅襯底的電場(chǎng),由于氧化物層是絕緣的,柵極所加電壓VGS無法形成電流,氧化物層的兩邊就形成了一個(gè)電容,VGS等效是對(duì)這個(gè)電容充電,并形成一個(gè)電場(chǎng),隨著VGS逐漸升高,受柵極正電壓的吸引,在這個(gè)電容的另一邊就聚集大量的電子并形成了一個(gè)從漏極到源極的N型導(dǎo)電溝道,當(dāng)VGS大于管子的開啟電壓VT(一般約為 2V)時(shí),N溝道管開始導(dǎo)通,形成漏極電流ID,我們把開始形成溝道時(shí)的柵-源極電壓稱為開啟電壓,一般用VT表示??刂茤艠O電壓VGS的大小改變了電場(chǎng)的強(qiáng)弱,就可以達(dá)到控制漏極電流ID的大小的目的,這也是MOS管用電場(chǎng)來控制電流的一個(gè)重要特點(diǎn),所以也稱之為場(chǎng)效應(yīng)管。
大功率mos管驅(qū)動(dòng)芯片
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