全控型器件驱动技术工程教学内容设计

梅建伟　田艳芳　罗敏　刘杰　魏海波

摘要：根据功率转换电路开关器件对驱动电路的性能要求，本文给出了驱动电路的驱动功率和驱动峰值电流的计算方法，同时结合工程应用情况，给出了工程上常用的8种驱动电路原理图和典型的集成驱动芯片。该工程教学内容的拓展，促进了全控型器件驱动应用。

关键词：全控型；驱动；峰值电流；隔离；集成；

中图分类号：TM1-4

本科教学建设与改革项目资助：面向电动车辆工程方向的自动化专业人才培养模式研究与探讨，项目编号：JX201603-1.

驱动电路作为主电路与控制电路之间的接口， 按控制目标的要求施加开通或关断的信号。对半控型器件只需提供开通控制信号。对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号，本文针对的全控型器件主要是指MOSFET，IGBT及其智能功率模块。

1、理想驱动电路的基本性能

1.1 基本性能

1） IGBT栅极和发射极之间是绝缘栅极的二氧化硅结构，直流电不能导通， 因此低频静态功率很小；

2） 栅极和发射极之间构成一个栅极电容，因此在高频的交替开通和关断时需要一定的动态驱动功率；

1.2 基本要求

1） 提供一定幅值的正反向电压，一般来说栅极正向驱动电压的幅值为 ，反向幅值电压为 ；

2） 要求驱动电路具有隔离的输入和输出信号功能，同时信号传输要求无延时；

3） 具有非常小的输出电阻；

4） 具有过压保护和 保护功能；

5） 串联合适的栅极电阻，栅极电阻过大，导通时间长，开关应力小，开关损耗大；栅极电阻小，开关应力大，开通时间短，开关损耗小；

6） 驱动电路要求具有一定的功率和较快的动态响应速度。

2、栅极驱动功率和峰值电流计算

栅极驱动电源的功率与栅极驱动正负偏置电压的差值 、栅极总电荷 以及工作频率 有关。

驱动电路电源的平均功率： ；

驱动电路电源的最大峰值电流： ；

1） 在大功率场合，特别是电流比较大的场合，每一个栅极驱动电路电路最好采用独立的、分立的电源，且驱动电路和控制电路的电源最好独立；

2） 通常选取栅极驱动电压 ，其中系数 。

3、全控型器件驱动条件

（a） 和 与 （b） 开关损耗与+ （c） 浪涌电流与 （d） 开关损耗与-

图 1 全控型器件参数与栅源电源之间的关系曲线

设计驱动电路时注意：

1） 由于全控型器件具有一定的阀值电压，且有一个容性输入阻抗，必须要保证有一条低阻抗的放电回路；

2） 驅动电路的电源内阻一定要小。

4、驱动电路的基本形式

驱动信号地与主回路地之间一般需要隔离，常用的隔离的方法，有光耦隔离和脉冲变压器隔离两种方式，利用光耦隔离时有两种方式，一是脉冲信号经过高速光耦隔离以后，再通过驱动电路驱动开关器件工作，另一种方式是光耦本身带有一定的驱动能力，可以通过光耦直接驱动一定功率等级的开关器件。

4.1 非隔离型驱动电路

1） 低电压小电流的MOSFET可以采用三极管或者门电路的输出直接驱动

（a）直接驱动型 （b）三极管放大驱动型

图 2 驱动电路1

如图2（a）所示的驱动电路是电压比较器的输出直接驱动MOSFET。

2） 脉冲信号经过推挽放大或者三极管放大以后驱动开关器件

（a） 推挽驱动型 （b）隔离光耦直接驱动型

图3 驱动电路2

4.2 隔离型驱动电路

4.2.1 光耦隔离直接驱动开关器件

如图3（a）所示的驱动电路简单，元器件数量少，存在的不足是光耦的传输速度和电流传输比收到限制，开关器件驱动脉冲的上升沿和下降沿在高速和大功率的情况下无法满足要求。

4.2.2 光耦隔离后经过放大后驱动开关器件

（a） 光耦隔离 （b）变压器隔离

图5隔离放大型驱动型电路

4.2.3 变压器隔离型驱动开关器件

变压器隔离驱动型电路如图5（b）所示.

4.3 集成IC构成的驱动电路

4.3.1 小功率桥式逆变器集成驱动电路

图7 IR2110驱动电路

4.3.2 大功率桥式逆变器集成驱动电路

图8 2SD315AI驱动电路

该驱动的峰值电流可以达到15A左右，且每一个模块输出两路互补的PWM波形，模块本身具有短路保护和PWM状态输出，实用于大功率桥式逆变器的驱动。

5、常用的集成驱动电路用芯片

1） TLP250

由TLP250构成的光隔离的驱动电路的隔离电压可以达到2500V，下降时间小于0.5US，输出电流可以达到1.5A，可以直接驱动50A/1200V的IGBT，但是该芯片一般用在低频的场合，开关频率低于50KHz以下的场合。

2） M系列

三菱公司的M系列的驱动芯片，主要有M57957L、M57958L、M57959L、M57962L、M57958L*、M57962L*；

3） IR系列

IR公司的驱动芯片涵盖了单个MOSFET驱动芯片、单相半桥驱动芯片以及三相全桥6路驱动信号的驱动芯片，主要有：IR2110、IR2130、IR2177、IR21771、IR2277、IR22771、IR2114、IR21141、IR2214以及IR22141。

4） SCALE集成驱动板

SCALE系列集成驱动板主要适用于大功率IGBT驱动，其成本高，主要安装方式是直接贴在IGBT模块上，在大功率电源的驱动方面有广泛的用图。主要有：2SD106A1、2SD106A1-17、2SD315A1、2SD106EI、2SD106EI-17等，这些模块适用于不同电流和电压等级的IGBT模块。

5） EXB系列

富士公司的驱动芯片主要分为标准型和高速型两个系列的驱动芯片，典型代表是标准型：EXB850、EXB851，高速型：EXB840、EXB841。

6） TX系列

主要有TX-KA、TX-KB、TX-KC以及TX-KD系列。

参考文献

[1] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2001.

[2] 邢岩等.电力电子技术基础[M].北京：机械工业出版社，2009.

[3] 郭荣祥，崔桂梅.电力电子应用技术[M].北京：高等教育出版社，2013.

作者简介：梅建伟，男，1978.10，湖北麻城，副教授，硕士研究生，湖北汽车工业学院，主要从事电力电子变换技术以及电机控制技术方面的研究。