一种基于2SD106AI驱动的D类功率放大器∗

金 炎 许则富

（昆明船舶设备研究试验中心 昆明 650051）

一种基于2SD106AI驱动的D类功率放大器∗

金 炎 许则富

（昆明船舶设备研究试验中心 昆明 650051）

D类放大器的高效特性，使其成为便携式和大功率应用的理想选择。文中简要分析了D类放大器的工作原理和特点，介绍了以驱动模块2SD106AI为核心的驱动电路，并将其应用到D类功率放大器，该功率放大电路输出能力强，可靠性高，可应用于高电压或大功率场合。

D类功放；2SD106AI

ClassNum ber TN433

1 引言

传统的A类或AB类模拟功率放大器虽然保真度很高，但这类功率放大器的放大器件均工作在线性放大区域，其偏置元件和输出晶体管的线性工作方式会损耗大量功率，导致效率低、能耗大，同时还对散热设备提出了很高的要求。而现在D类功率放大器发展很快，各项指标已经很接近线性功率放大器，且其晶体管只是作为开关使用，晶体管大部分时间处于饱和导通或截止状态，输出级损耗的功率极低，对散热器的要求大为降低，甚至可省掉散热器。所以具有效率高、体积小、输出功率大、具备多种工作模式等优点，正逐渐大规模应用于大功率或便携式设备上。

2 D类功率放大器工作原理

经典D类功率放大器主要由脉冲宽度调制器（PWM）、开关放大电路和低通滤波器等三部分组成，结构如图1所示［1］。脉冲宽度调制器将输入模拟信号转变为宽度随信号幅度变化的高频脉冲，控制功率管以相应的频率导通或截止，功率管输出的信号经低通滤波器滤波还原后驱动负载工作。典型的D类功放可提供200W或更大的输出，效率可达90%以上，谐波失真在1%～2.8%之间。另外，D类功放不存在交越失真。

图1 D类功率放大器结构示意图

图2 为一个半桥式D类功率放大器的基本工作原理图，图中三角波发生器、比较器和输入信号构成脉宽调制器（PWM）；两只输出场效应管组成开关放大器；LF和CF构成低通滤波器，用以恢复输入信号。驱动级用来驱动开关放大器，使放大器输出信号为在VDD和-VDD间切换的高频方波［1］。

图2 D类功率放大器工作原理简图

目前大部分D类功放使用全桥转换电路，即用两个图2所示的半桥输出电路交替驱动负载，这种类型的负载连接方式又被称为桥接负载（BTL）。全桥转换电路通过交替开启负载导通路径工作，获得双向电流流经负载而不像半桥结构那样需要一个负电源或隔直电容，且其导通损耗也小于半桥电路［1］。

3 2SD106AI驱动模块简介及具体应用设计

2SD106AI是瑞士CONCEPT公司生产的SCALE系列驱动模块之一，其可靠性高，使用寿命长，是驱动大功率IGBT和MOSFET的专用驱动器。2SD106AI具有良好的通用性，可灵活应用于功率电机驱动、DC/DC变换、大功率功放等领域。该驱动器采用ASIC设计，具有很强的驱动能力，最大驱动电流高达±6A，芯片内部集成了过流保护、欠压监测等功能［2］。使用15V单电源驱动，开关频率高达100KHz以上。所需外围器件较少，具备两种不同的工作模式，电气隔离可达到4000VAC。

3.1 驱动模块简介

2SD106AI的原理框图如图3所示，主要由电子接口LDI、智能栅极驱动IGD和15VDC/DC电源组成。每个LDI可驱动两路信号，外部控制器输入的PWM信号首先进入LDI单元，由LDI模块进行编码处理进而通过脉冲变压器送到IGD单元，脉冲变压器用于驱动信号的电气隔离，IGD单元接收到编码后的脉冲信息，将其解码成原始的PWM信号，然后进行放大，用于触发外接的功率半导体器件［2］。同时IGD模块内集成了保护电路，当检测到功率管发生短路或者过流故障时，其封锁时间逻辑电路和状态确认电路产生相应的响应时间和封锁时间，并将此信号编码后送至LDI单元［3］。LDI单元对状态信号进行解码处理，启动保护，封锁输入信号。为防止两路驱动信号互相干扰，由DC/DC转换器提供彼此隔离的电源，且每路都具备欠压监测功能，当电源电压降至11V以下时，输出将关断并发出报警信号。

图3 2SD106AI驱动模块内部原理图

3.2 基于2SD106AI驱动模块的D类功率放大器电路设计

图4为基于2SD106AI驱动模块的驱动电路。图中INA、INB为PWM信号输入端，其具有施密特触发特性，能对输入信号波形进行整形，提高信号抗干扰能力。C1、G1、E1，C2、G2、E2为驱动模块的输出端，分别接至功率管的集电极C，栅极G，发射极E，G与E之间的电压即为功率管的栅极驱动电压，栅极驱动电压有+15V、-15V两种电平，+15V使功率管导通，-15V可使功率管更加快速的可靠关断，从而减小开关损耗。

2SD106AI有直接和半桥两种工作模式。直接模式下，各路功率管独立工作，用于已经产生死区时间的PWM信号的驱动。此时MOD端接电源VDD，RC1端和RC2端接地。在半桥模式下，MOD端接地，INA端接输入信号，INB端接使能信号，死区时间由RC1端和RC2端外接的RC网络确定。文中由于两路PWM信号是分别单独提供，所以选择使用直接模式。

2SD106AI的逻辑电平由VL端来确定。VL端的电压值决定了INA端和INB端施密特触发器的触发上限电平为2VL/3，触发下限是1VL/3。所以根据加载在VL端不同的电压值，驱动模块可以处理15V以内的任何逻辑电平，这意味着驱动模块与前级PWM控制电路之间可以直接连接，不用增加额外电路。文中设计输入是5V的PWM信号，所以在VL端接上一个4.7V的稳压二极管（图4中V9、V10）即可将INA端和INB端设置工作在TTL电平。

图4 基于2SD106AI的驱动电路

SO1和SO2两个引脚用于输出模块的工作状态，由于其输出为集电极开路形式，所以可以通过外接上拉电阻来适应各种逻辑电平。驱动模块工作正常时，SOx为高电平，当某一通道被检测到故障信号时，所对应的SOx端的输出电平立即变为低电平，同时将该低电平送至锁存电路，用以控制输入PWM信号，驱动模块将自动进入封锁状态，直至控制信号锁存电路复位，封锁时间一般为1s。SO1端和SO2端可以独立使用，但在本文设计中将其连在一起，即将所有4路故障信号加在一起取“或”，只要4路中有任何一路出现异常就认为驱动模块故障产生，以便简化设计。

图5即是2SD106AI模块内部集成的短路及过流保护功能电路图。图中驱动模块输出C端所接二极管是为了防止电流从功率管的集电极倒灌进驱动模块，起到保护模块的作用。参考电阻Rth用于确定功率管保护关断阈值，定义了驱动模块的过流保护电压Vceoff。根据MOS功率管的特性，当其饱和导通时，电流与管压降Vce成正比。由图5可知，模块内部有一个运算放大器构成的电压比较器，其输出端OVERCURRENT为模块内部的过流保护信号。当功率管饱和导通，如果此时最大管压降Vce大于过流保护电压Vceoff，比较器输出高电平，驱动模块执行过流保护功能，输出-15V关断功率管，同时输出故障信号至SOx端。参考电阻Rth的计算公式为

式中，Vce为功率管的管压降，Vd为C端所接二极管导通压降，Ith为驱动模块内置电流源，大小约为150μA［4］。

以IGBT功率管IKW40T120为例，根据其数据手册，电流50A时，Vce为2V。图4中驱动模块C端接两个1N4007二极管，所以Vd为0.6×2=1.2V，所以Rth=2+1.2/0.00015≈21K。

图5 2SD106AI驱动模块过流保护电路图

图6 为功率放大器的全桥转换及LC低通滤波电路。图中可见功率管栅极都接有一个栅极电阻（图5中R9、R10、R11、R12），在驱动功率管时，必须选择合适的栅极电阻。功率管的栅源极之间存在结电容，栅极回路还存在寄生电感，如果没有栅极电阻，驱动模块输出的驱动电流会在栅极回路产生强烈的振荡，因此需串联一个电阻使其迅速衰减。同时电容电感都是无功类器件，如果没有栅极电阻，绝大部分的驱动功率就将消耗在驱动模块内部，导致其温度上升过快，影响可靠性。如果栅极电阻阻值小，驱动电流就大，功率管通断时间快，开关损耗小；反之则慢，开关损耗大。但驱动速度过快将使功率管的电压和电流变化率大大提高，使功率管栅源极之间承受较高的尖峰电压，从而产生较大的干扰，严重的可能会损坏功率管或使整个电路无法工作，因此必须统筹兼顾。2SD106AI的最大驱动电流为6A，驱动模块的最大输出电流需大于等于实际所需的栅极驱动电流，所以栅极电阻的最小值计算公式如下：

式中ΔU是栅极上升电压，由于是±15V驱动，所以ΔU=30V，IG最大为6A，因此栅极电阻最小值

但实际应用中，应根据所选择的功率管的参数和特性来确定栅极电阻值，50A左右的功率管应采用10～20Ω的栅极电阻，也可根据实际电路调试结果来最终确定。

图6 功率放大器全桥转换及LC低通滤波电路

根据功率放大器不同的用途和负载，放大后的PWM方波信号可以直接用于驱动负载，或者先经低通滤波器滤波，再驱动负载工作。虽然本文设计直接用PWM方波驱动负载，但还是有必要介绍一下D类功率放大器常用的输出低通滤波器。如图6所示，一般采用两阶的LC型巴特沃斯滤波器，巴特沃斯滤波器保证了全频段内的平滑频率响应，可使放大器具有良好的动态响应，且所需元器件数量很少，是D类功率放大器最常使用的输出滤波器。

根据二阶巴特沃斯滤波器的通用转移函数可以推导出滤波器中电感L的选取公式为

电容C选取公式为

从而推导出滤波器3dB截止频率 fc计算公式为

其中电感L除了要考虑合适的电感值以外还要考虑其最大额定电流和最大直流电阻，如果电感的额定电流不足以维持功率放大器的输出电流，则电感将起短路的作用，而直流电阻较低的电感可降低电感本身的功率损耗，提高电路的总体效率。如果两阶滤波器滤波效果达不到要求，可以将阶数增加至4阶，同时适当降低截止频率，这样能更加有效的消除载波干扰。图7为仿真的二阶LC低通滤波器频率响应曲线图。

图7 LC低通滤波器频率响应曲线仿真图

4 统调试波形及注意事项

本设计中功率管采用英飞凌生产的IGBT晶体管IKW40T120，最大电压1200V，电流75A。图8是使用示波器采集到的驱动模块输出的功率管驱动信号波形。从图中可以看出功率管驱动信号波形较好，幅值为±15V，信号没有明显的尖峰和毛刺，栅极电阻值选取适当。上升和下降速度适中，虽然高低电平转换时稍有坡度，不是十分陡峭，但是由于此处信号频率较低，已能满足使用，如果应用到更高频率场合，适当减小栅极电阻值即可。

图8 驱动信号实测波形

功率放大器采用200VDC供电，图9为示波器采集的全桥转换电路的输出波形。图中信号幅度与供电电压一致，波形上尖峰与毛刺被有效抑制，尖峰电压最高时也仅为供电电压的10%左右。较小的尖峰电压既能有效降低功率管负担，也能防止较大的瞬间电流导致驱动模块频繁进入保护状态。

图9 全桥转换电路输出信号波形

此外在电路板布板时要特别注意驱动模块与功率管之间的布线。驱动信号布线对消除可能存在的振荡、延缓栅极电压的上升、减少尖峰毛刺信号损耗、降低栅极电源电压或减少模块过流保护电路的动作次数有很大的影响。因此，必须将驱动模块驱动信号输出端和功率管之间的寄生电感降至最低，最直接的方法就是尽量缩短二者之间引线的距离，驱动模块尽量靠近功率管布置，并使用绞线传输信号，提高信号的抗干扰能力。同时参考电阻Rth也应该尽可能靠近驱动模块的输出E端，以免引起电磁干扰。

除了驱动模块自带的过流及短路保护功能外，电路在供电电源两端布置了两个100μF/400V的滤波电容来滤除电源上的干扰，使用了RCD尖峰吸收电路来保护驱动模块和功率管。RCD电路通过消耗很小的功率来减轻功率管的负担，能有效抑制功率器件工作时产生的浪涌电压。RCD电路可以加在电源两端也可加在功率管两端，电路板空间允许的情况下可以多加几组，效果更好。根据实测结果，RCD电路中的R最好选择100Ω以上的功率电阻，C选择1μF左右的高压聚丙烯薄膜电容。在功率管的栅源极之间并联一个稳压二极管和一个电阻，既能帮助稳定驱动信号的电压，还能在栅源极之间构成一个放电回路，迅速消耗掉功率管关断后因电容充电而余留的能量。这些措施都能有效保护驱动模块和功率管，提高整个电路的可靠性。

5 结语

本文介绍了以驱动模块2SD106AI为核心的驱动电路，模块外围器件参数的设置选择方法，并将其应用到全桥模式的D类功率放大器。实测功率放大器输出电流10A以上，功率大于2KW，表明基于2SD106AI的功率放大器输出能力强，可靠性高，适用于高电压或大功率场合。

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AClass D Power Am p lifier Based on 2SD106AI

JIN Yan XU Zefu
（Kunming Shipborne EquipmentResearch and TestCenter，Kunming 650051）

The class D amplifier isbecoming the ideal choice for portable and high power applicationsbecause of high efficiency.The paper analyzes theworking principle and characteristics of class D amplifier briefly，introduces the driving circuitbased on 2SD106AI，and applies it to the class D power amplifier.The power amplifier has the advantages of high outputpower and high reliability，can be used forhigh voltage and high power occasions.

class D poweramplifier，2SD106AI

TN433

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.09.034

2017年3月7日，

2017年4月29日

金炎，男，工程师，研究方向：电子电路设计。许则富，男，助理工程师，研究方向：电子电路设计。