胡濤，唐勇奇，黃林森，林軒，陳麗娟

(1.湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息學(xué)院，株洲 412007；2. 湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411101)

MOSFET與IGBT驅(qū)動(dòng)電路的研究與設(shè)計(jì)

胡濤1，唐勇奇2，黃林森1，林軒2，陳麗娟2

(1.湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息學(xué)院，株洲 412007；2. 湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411101)

目前在橋式電路中上橋臂的驅(qū)動(dòng)電路常采用自舉驅(qū)動(dòng)，由于各橋臂使用的是同一組電源因此相互之間存在著干擾，當(dāng)參數(shù)選取不夠合理時(shí)還會(huì)出現(xiàn)較高的電壓尖峰損壞驅(qū)動(dòng)芯片和開關(guān)管，在對驅(qū)動(dòng)電路要求嚴(yán)格的場合通常需要為每個(gè)橋臂提供獨(dú)立電源。目前市場上隔離DC/DC的產(chǎn)品較多，但專門為隔離驅(qū)動(dòng)而設(shè)計(jì)的隔離DC/DC產(chǎn)品還比較少。通過對功率MOSFET和IGBT開通特性和關(guān)斷特性的研究，得出了功率MOSFET和IGBT對驅(qū)動(dòng)電路的要求。設(shè)計(jì)了一種帶隔離DC/DC，適用于功率MOSFET 和IGBT隔離驅(qū)動(dòng)電路。并通過實(shí)驗(yàn)測試了該驅(qū)動(dòng)電路的性能。

隔離DC/DC；IGBT；MOSFET；隔離驅(qū)動(dòng)電路

0 引言

隨著功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，功率MOSFET技術(shù)取得了重大的突破，大大地促進(jìn)了電子工業(yè)的發(fā)展，甚至引發(fā)了開關(guān)電源工業(yè)的革命。到20世紀(jì)80年代中期，由易驅(qū)動(dòng)的MOSFET管和低導(dǎo)通損耗的雙極型晶體管組成的IGBT開始用于大電流和高壓開關(guān)電源設(shè)備。盡管IGBT(insulated gate bipolar transistor)有電流拖尾的缺點(diǎn),但其復(fù)合了功率場效應(yīng)管和電力晶體管的優(yōu)點(diǎn),具有輸入阻抗高、開關(guān)頻率高、熱穩(wěn)定性好、易觸發(fā)和能承受高壓強(qiáng)電流等特點(diǎn),所以在大容量變流裝置中得到廣泛應(yīng)用[1]。如今功率MOSFET和IGBT在中小功率電力電子設(shè)備中具有主導(dǎo)地位其中IGBT隨著制造工藝的提升，IGBT的運(yùn)用范圍也逐漸向高壓大容量領(lǐng)域延伸。因此對于MOSFET和IGBT的驅(qū)動(dòng)電路的研究，也成為了電力電子技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。目前IGBT和MOSFET的常用的驅(qū)動(dòng)方式主要有，自舉驅(qū)動(dòng)如IR公司驅(qū)動(dòng)芯片IR2110、IR2133，光電耦合器隔離驅(qū)動(dòng)如東芝開發(fā)的IGBT和MOSFET的驅(qū)動(dòng)光耦TPL250，專用驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)如日本富士公司開發(fā)的EXB841，無磁變壓器驅(qū)動(dòng)如Eupec GmbH 開發(fā)的無磁芯變壓器驅(qū)動(dòng)芯片2ED020I12-F，以及脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)。其中專業(yè)芯片和光耦驅(qū)動(dòng)通常需要為其提供獨(dú)立電源。

1 MOSFET與IGBT工作原理

電力MOSFET是多元集成結(jié)構(gòu)，一個(gè)器件由許多個(gè)小MOSFET組成。目前MOSFET大都采用了垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，來提高器件的耐壓和耐電流能力。圖1為N溝道增強(qiáng)型垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET。當(dāng)漏極接電源正端，源極接電源負(fù)端，柵極和源極間電壓為零時(shí)，P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流通過。如果在柵源極之間加正電壓，由于柵極是絕緣的，所以并不會(huì)有柵極電流流過。但柵極的正電壓卻可以將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的電子(少子)吸引到柵極下面的P區(qū)表面，當(dāng)Ugs大于某一電壓值Uge(th)時(shí)，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，從而使P型半導(dǎo)體反型而成為N型半導(dǎo)體，形成反型層，該反型層形成N溝道使得PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。UT稱為閥值電壓，當(dāng)Ugs超過UT越多，導(dǎo)電性越強(qiáng)漏極電流越大。

圖2為N溝道IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，IGBT可以看出是是由雙極性晶體管與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管。IGBT的驅(qū)動(dòng)和原理與電力MOSFET基本相同是一種場控器件。當(dāng)Uge為正且大于開啟電壓Uge(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流從而使IGBT 導(dǎo)通。由此從控制原理上，IGBT導(dǎo)通和關(guān)斷的的控制，可以等效為對IGBT內(nèi)部MOSFET的控制。

MOSFET場效應(yīng)管(以及IGBT絕緣柵雙極性大功率管等器件)的源-柵之間是絕緣的二氧化硅結(jié)構(gòu)，直流電不能通過，因而低頻的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)功率接近于零。但是柵一源之間構(gòu)成了一個(gè)柵極電容Cgs，因而在高頻率的交替開通和關(guān)斷時(shí)需要一定的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)功率。小功率MOSFET管的Cgs一般在10～100pF之內(nèi)，對于大功率的絕緣柵功率器件，由于柵極電容Cgs較大，一般在1～100nF之間，因而需要較大的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)功率[2]。更由于漏極到柵極的米勒電容Cdg，使柵極驅(qū)動(dòng)功率往往是不可忽視的。因IGBT具有電流拖尾效應(yīng)，在關(guān)斷時(shí)要求更好的抗干擾性，需要負(fù)壓驅(qū)動(dòng)。MOSFET速度比較快，關(guān)斷時(shí)可以沒有負(fù)壓，但在干擾較重時(shí)，負(fù)壓關(guān)斷對于提高可靠性很有好處，對于IGBT負(fù)偏壓對于防止擎住效應(yīng)尤為重要。

圖1 N溝道MOSFET內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 N-channel MOSFET internal structure diagram

圖2 N溝道IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 N-channel IGBT internal structure diagram

圖3和圖4分別為電力MOSFET以及IGBT開關(guān)過程的相關(guān)波形。Up為理想觸發(fā)脈沖，Ugs為電力MOSFET的GS兩端的電壓波形，Id為漏極電流。Uge為IGBT的GE兩端的電壓波形，Ic為集電極的電流波形，Ug為在Up驅(qū)動(dòng)時(shí)，MOSFET工作在非飽和區(qū)的臨界電壓和IGBT工作在飽和區(qū)時(shí)柵極的臨界電壓。

圖3 電力MOSFET開關(guān)過程的相關(guān)波形Fig. 3 Related wave power MOSFET switch process

圖4 IGBT開關(guān)過程的相關(guān)波形Fig. 4 Related waveform IGBT switching process

通過圖3和圖4的對比，發(fā)現(xiàn)電力MOSFET和IGBT的開通和關(guān)斷過程基本相似，其中有一處明顯的區(qū)別是，IGBT的關(guān)斷會(huì)有電流拖尾的現(xiàn)象。當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，IGBT集電極電流下降到一定時(shí)，其下降得速率明顯降低，這將導(dǎo)致IGBT的關(guān)斷時(shí)間變長。在關(guān)斷過程，可以通過把驅(qū)動(dòng)電壓降到閥值電壓之下來快速截?cái)嚯娮恿?，同電力MOSFET關(guān)斷原理一樣。不過IGBT的空穴會(huì)存留在漂移區(qū)，只有通過電壓使之漂移并與電子復(fù)合掉。這樣在關(guān)斷后直到所有空穴被清除或復(fù)合掉的時(shí)間內(nèi)，IGBT會(huì)存在拖尾電流。在使用IGBT作為開關(guān)管時(shí)，電流拖尾現(xiàn)象限制了驅(qū)動(dòng)脈沖的最大占空比和頻率，要留有足夠的時(shí)間以確保IGBT關(guān)斷。

MOSFET管的直流輸入阻抗特別高。當(dāng)VGS為10V時(shí)，刪極只流過納安數(shù)量級(jí)別的電流。因此一旦柵極電壓建立起來后，柵極的驅(qū)動(dòng)電流可以忽略。但事實(shí)上，當(dāng)開關(guān)管在導(dǎo)通閥值電壓的驅(qū)動(dòng)下，柵極的輸入阻抗變得很小，在開關(guān)的驅(qū)動(dòng)波形中，這一暫態(tài)電壓就是那個(gè)電壓平臺(tái)。然后由于在柵源間有一個(gè)不能忽略的的電容。為了快速導(dǎo)通或關(guān)斷漏極電流，需要較大的電流驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O電壓上升和下降。但開關(guān)管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)限制了柵極的最大驅(qū)動(dòng)電流，米勒效應(yīng)就是引起MOSFET導(dǎo)通延遲的主要原因，這在高壓應(yīng)用場合表現(xiàn)更為明顯。高壓IGBT的寄生柵極寄生電容很小，所以它受彌勒效應(yīng)的影響也小[3]。

IGBT和MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路具有如下要求：IGBT的柵極射極之間和電力MOSFET的柵極和源極之間都存在著數(shù)千皮法的極間電容，因此要求驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻較小，才能使IGBT的柵極射極之間和電力MOSFET的柵極和源極之間快速建立驅(qū)動(dòng)電壓。開通時(shí)以低電阻為柵極電容充電,關(guān)斷時(shí)為柵極提供低電阻放電回路。由于柵源間和柵射間的的氧化層很薄，容易被擊穿導(dǎo)致器件被損壞，因此驅(qū)動(dòng)電壓不能過高，通常最高驅(qū)動(dòng)電壓要小于20V，但要高于閥值電壓[4]。在關(guān)斷時(shí)為增加可靠性和抗干擾，需要施加一定的反壓。在橋式拓?fù)渲?，需要在同一時(shí)間導(dǎo)通或關(guān)斷開關(guān)管。但是不同的PWM傳輸回路的阻抗可能不同，以及驅(qū)動(dòng)模塊的不一致帶來的上升和下降時(shí)間的不同，使得橋式拓?fù)涞臒o法精確控制，嚴(yán)重可能導(dǎo)致上下橋臂直通造成短路。為了提高PWM信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，要求觸發(fā)脈沖要具有足夠快的上升和下降速度。還要求各路驅(qū)動(dòng)電路傳輸回路的阻抗盡量一致。在開關(guān)管工作在較高的開關(guān)頻率時(shí)，還要求驅(qū)動(dòng)電路能提供足夠的驅(qū)動(dòng)功率。IGBT和MOSFET的門極輸入阻抗高，因此容易受到干擾信號(hào)的影響，在PCB布線時(shí)要合理的布局，盡量抑制干擾信號(hào)的傳播，必要時(shí)要采取合理的屏蔽措施[5]。

圖5 隔離驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig. 5 Design structure isolated drive module

2 隔離驅(qū)動(dòng)電路總體設(shè)計(jì)

隔離驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5所示，隔離驅(qū)動(dòng)模塊主要包括兩部分：分別為隔離DC/DC模塊和光耦驅(qū)動(dòng)模塊。隔離DC/DC電源為光耦驅(qū)動(dòng)模塊提供相互隔離電源[6]。隔離DC/DC提供獨(dú)立電源的組數(shù)可以根據(jù)不同的的要求而改變，設(shè)計(jì)主要針對三相全橋而設(shè)計(jì)的獨(dú)立電源。該隔離DC/DC共提供四組獨(dú)立電源，分別為3個(gè)上橋臂供電，3個(gè)下橋臂共用一組電源。PWM的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的電氣隔離由光耦完成。隔離驅(qū)動(dòng)電路由兩個(gè)輸入分別為電源VCC和驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入。

3 隔離DC/DC驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

3.1 柵極充放電平均電流計(jì)算

假設(shè)當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)加到柵極和源極前，柵極和源極之間的電壓為零。驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅值為U，柵源極電壓由零上升到U時(shí)間為Tc則，該電壓上升過程可以看成，由驅(qū)動(dòng)脈沖對Cgs和Cgd兩個(gè)結(jié)電容充電[7]。因此充電電流計(jì)算可以分為兩部分。

第一部分為驅(qū)動(dòng)脈沖對Cgs充電，電壓由零上升到U，該平均電流為：

第二部分為驅(qū)動(dòng)脈沖對Cgd充電，設(shè)漏源極電壓為Vds，忽略漏源極的導(dǎo)通壓降。則Cgd電壓Ugd又從負(fù)的Vds上升到到U，電壓共變化U+Vds，該平均電流為：

同樣假設(shè)柵源極電壓由U下降到0的時(shí)間為Tf則可以得到放電的平均電流為If：

在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)開關(guān)管的實(shí)際參數(shù)估算出充電與放電回路所需的灌電流和拉電流，從而設(shè)計(jì)出合適的驅(qū)動(dòng)電路。從平均電路的計(jì)算公式可以看出，增大平均電流可以減小充放電的時(shí)間，但是由于開關(guān)管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)限制了最大的充電電流，因此設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)該參看所需驅(qū)動(dòng)的開關(guān)管的參數(shù)。

3.2 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)功率估算

隔離驅(qū)動(dòng)所需的隔離DC/DC電源，需要考慮每個(gè)橋臂的驅(qū)動(dòng)功率，但每個(gè)橋臂的驅(qū)動(dòng)功率又很難精確計(jì)算，通常采用簡化模型進(jìn)行估算，然后留有足夠的裕量，以簡化模型為基礎(chǔ)估算驅(qū)動(dòng)電路的功率[8]。

假定驅(qū)動(dòng)功率包括消耗在柵極電阻Rg上的功率，驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率為f，周期為T，電壓為Uq。在一個(gè)周期內(nèi)所需要的能量為給Cgs和Cgd兩個(gè)結(jié)電容充電Rg上消耗的能量Wr，和Cgs和 Cgd兩個(gè)結(jié)電容電壓為Uq時(shí)兩個(gè)電容上儲(chǔ)存的能量

由一階電路的零狀態(tài)響應(yīng)可知Wr等于Wcg所以有：

因此單個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)功率P為：

實(shí)際在設(shè)計(jì)電路時(shí)還應(yīng)考慮到線路等其他損耗，并根據(jù)開關(guān)管的個(gè)數(shù)估算出驅(qū)動(dòng)電路所需的功率，并取一定的裕量來設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的功率。設(shè)計(jì)按大功率MOS管來計(jì)算，為了滿足具有足夠的裕量，柵極輸入電容值按200nF，來計(jì)算驅(qū)動(dòng)功率，柵極電壓按照最大20V計(jì)算，可得驅(qū)動(dòng)功率，為了保證設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)功率足夠大、留足裕量，驅(qū)動(dòng)功率為5W來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

為了實(shí)現(xiàn)IGBT和MOS管的隔離驅(qū)動(dòng)，按照圖5隔離驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)選取合適的拓?fù)?，設(shè)計(jì)滿足驅(qū)動(dòng)要求的隔離電源。由于驅(qū)動(dòng)電源需要為電力電子設(shè)備開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)提供電源，因此要求驅(qū)動(dòng)電源具有穩(wěn)定的的性能和高的可靠性。在常用的隔離型DC/DC直流變換器，為了考慮成本和體積等因素，選擇推挽拓?fù)錇橹麟娐方Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶有4路獨(dú)立電源輸出的隔離DC/DC。該隔離DC/DC的特點(diǎn)為相對于正激和反激拓?fù)渚哂凶儔浩鞔判纠寐矢?、便于使用、體積較小等優(yōu)點(diǎn)，相對于半橋電路節(jié)省了兩個(gè)分壓電容，相對于全橋又有少用兩個(gè)功率管的特點(diǎn)[9]。電路控制采用了電流模式控制，有效的克服了該拓?fù)浯嬖谧儔浩鞔判撅柡偷膯栴}。在低壓場合上述優(yōu)勢更為明顯，因此設(shè)計(jì)選用該拓?fù)錇橹麟娐?。具體電路如圖6所示。

3.3 隔離DC/DC驅(qū)動(dòng)電源的關(guān)鍵器件參數(shù)的選定

3.3.1 整體設(shè)計(jì)要求

根據(jù)上述的分析，對DC/DC隔離電源具有如右表的一些要求。

開關(guān)管的選型

設(shè)計(jì)選用的拓?fù)錇橥仆焱負(fù)洌x用MOSFET功率管為開關(guān)管具有防止偏磁的作用，而且電路采用了電流控制模式使得設(shè)計(jì)的可靠性提高。且在該設(shè)計(jì)中由于開關(guān)管所需的耐壓值較低，因此選擇導(dǎo)通電阻較小的MOS管，從而提高系統(tǒng)的工作效率。

在忽略變壓器漏感的情況下，開關(guān)管所承受的最大電壓為兩倍的輸入電壓的值，但由于變壓器在實(shí)際運(yùn)用中還存在著漏感，這將使得開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力比2Vdc還要大。設(shè)計(jì)慣例在考慮漏感的情況下一般選取開關(guān)管的電壓應(yīng)力為Vp=1.3(2Vdc)。

工作頻率設(shè)定：

RT和CT選擇依據(jù)：

選取CT的值為0.015uF，根據(jù)上公式可求得RT為3.3k。

輸出電壓分析：

電感電流斷續(xù)時(shí)輸出電壓大于連續(xù)時(shí)的輸出電壓，當(dāng)為空載時(shí)輸出電壓為：

電流峰值設(shè)置：

推挽一次側(cè)電流檢測采用無感功率電阻檢測電流，電阻Rcy采用0.1R/5W，電流峰值Ip設(shè)定為5A，則當(dāng)電流為5A時(shí)該電阻兩端的電壓為0.5V。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊中電流設(shè)定公式：

可以求得1管腳設(shè)定電壓為1V，為滿足系統(tǒng)系統(tǒng)在16腳關(guān)斷信號(hào)消失后系統(tǒng)能夠自動(dòng)恢復(fù)，在給1腳設(shè)定電壓時(shí)，要確保流入1腳的電流小于0.8mA,設(shè)計(jì)利用芯片參考電壓端2腳，利用20K串聯(lián)5K從2腳分得1V到1腳。

電壓外環(huán)設(shè)置：

為了實(shí)現(xiàn)輸入輸出的電氣隔離，電壓反饋采用了以TL431為基準(zhǔn)電壓和線性PIC817線性光耦來實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的隔離反饋。

濾波電感計(jì)算：

當(dāng)輸出電流處于CCM和DCM臨界時(shí)有，電感電流的峰值為兩倍的平均電流：

其中每個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)功率按5W計(jì)算，電壓按10V計(jì)算，可以得到Imax=1A

設(shè)計(jì)變壓器通常使V2，在占空比為0.4時(shí)，輸出為Vo，所以有:求得：L=4×10-5H=40uH

濾波電容計(jì)算：

輸出電容按照電感電流臨界時(shí)，電流峰峰值為1A，假定輸出電壓紋波峰峰值Vpp為1V，鋁電解電容其紋波主要由等效ESR決定，在很大的范圍內(nèi)鋁電解電容，ESR的值R和電容C的乘積在和之間，取RC乘積為計(jì)算有：

在驅(qū)動(dòng)時(shí)為了能提供較大的瞬時(shí)電流，濾波電容選擇100uF，下橋臂驅(qū)動(dòng)回路驅(qū)動(dòng)電容選擇300 uF，同時(shí)為了濾除高頻干擾，在同時(shí)并上一個(gè)103的瓷片電容。

高頻變壓器匝數(shù)：

根據(jù)通過查閱高頻變壓器磁芯表，選擇EC41磁芯繞制變壓器。其中Ae=1.21cm2，，Vi=12V計(jì)算得到

式中(Ae單位為cm2，Bmax單位為G，Vi單位為V)取整數(shù)，初級(jí)繞組為7匝。次級(jí)繞組按照輸入為12V，輸出考慮整流二極管壓降，假定為1V，占空比為40%，輸出電壓16V計(jì)算有：

取整后，取二次側(cè)繞組為13匝。

4 光耦驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離，通常的做法有運(yùn)用隔離變壓器，這種利用隔離變壓器隔離驅(qū)動(dòng)信號(hào)的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比過大時(shí)可能出現(xiàn)無法工作的情況。還有一種常用的做法為利用光耦隔離，光耦隔離具有電路簡單，可靠的特點(diǎn)，在開關(guān)頻率不大于50K的場合得到了廣泛的運(yùn)用。因此選用光耦隔離來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離。

設(shè)計(jì)選用東芝TLP352型號(hào)的IGBT/MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)光耦，它有一個(gè)圖騰輸出結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)拉電流和灌電流[7]。TLP352是理想的功率MOSFET和IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)器。在使用中，由隔離DC/DC獲得的隔離電源為TLP352供電，下橋臂共用一組電源。

通常數(shù)字驅(qū)動(dòng)信號(hào)由MCU或者DSP產(chǎn)生，由于這些IC的管腳能夠輸出的電流較小，通常不能夠直接驅(qū)動(dòng)光耦。例如TLP352的驅(qū)動(dòng)電流最小為6.5mA，對驅(qū)動(dòng)電流要求相對較大，普通MCU或者DSP無法直接驅(qū)動(dòng)。為了確保光耦的可靠導(dǎo)通，以及防止損壞MCU和DSP，通常在MCU和DSP的輸出和光耦之間加上一個(gè)放大電路。設(shè)計(jì)采用了74HC245在供電電壓為5V的條件下，74HC245端口的驅(qū)動(dòng)電路都大于50mA滿足光耦的驅(qū)動(dòng)要求。設(shè)計(jì)用7805為74HC245供電，其電路圖如7所示。

圖7 三相橋式驅(qū)動(dòng)電Fig. 7 Three-phase bridge driver circuit

5 實(shí)驗(yàn)

根據(jù)圖7的原理圖，制作了隔離DC/DC實(shí)驗(yàn)機(jī)，樣機(jī)如圖8所示。分別對對實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的四路隔離輸出進(jìn)行穩(wěn)壓性能的測試，圖9和圖10分別給出12V和16V輸入時(shí)，其中一組輸出電壓波形和推挽電路的驅(qū)動(dòng)波形。從測試結(jié)果可以看出該隔離DC/DC輸入從12V升到16V時(shí)，輸出在負(fù)載為2K的情況下輸出電壓從15.1V升到15.8V，穩(wěn)壓能力較好，滿足驅(qū)動(dòng)電路的要求。

圖8 隔離DC/DC樣機(jī)

圖9 14V輸入時(shí)相關(guān)波形

圖10 20V輸入時(shí)相關(guān)波形

6 結(jié)語

設(shè)計(jì)采用隔離DC/DC電源為光耦驅(qū)動(dòng)電路供電，實(shí)現(xiàn)了上下橋臂的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)?？朔俗耘e驅(qū)動(dòng)由于各橋臂使用同一組電源而相互之間存在干擾，以及下橋臂長時(shí)間不工作的情況下自舉電容無法充電造成上橋臂無法工作的缺點(diǎn)。同時(shí)由于上橋采用了獨(dú)立電源供電，提高了驅(qū)動(dòng)電路的可靠性。

[1] 屈維謙, 王久和. 大容量IGBT可靠性的分析[J]. 電氣開關(guān), 2008, 46(4): 1-4.

Qu weiqian, Wang jiuhe. Analysis of large-capacity IGBT reliability[J]. Electrical switches2008, 46(4): 1-4.

[2] 王華彪, 陳亞寧. IGBT和MOSFET器件的隔離驅(qū)動(dòng)技術(shù)[J]. 電源技術(shù)運(yùn)用，2010，30 (9): 1-3.

Wang huabiao, Chen yaning. IGBT and MOSFET device isolation drive technology[J]. Power use, 2010, 30 (9): 1-3.

[3] 鄧夷，趙爭鳴，袁立強(qiáng)等. 適用于復(fù)雜電路分析的IGBT模型[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2010, 30 (9): 1-3.

Deng yi, Zhao zhengming, Yuan liqiang. IGBT model is suitable for analysis of complex circuits[J]. China Electrical Engineering, 2010, 30 (9): 1-3.

[4] 余娟. 功率MOSFET應(yīng)用研究及主電路設(shè)計(jì)[D]. 西安. 西安理工大學(xué). 2005.

Yu juan. Application of power MOSFET and the main circuit design[D]. Xi an, Xi an University of Technology. 2005.

[5] 王兆安. 電力電子技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2000: 132-146.

Wang Zhaoan. Power Electronics Technology[M]. Beijing: China Machine Press, 2000: 132-146.

[6] 包爾恒. MOSFET驅(qū)動(dòng)電路分析與設(shè)計(jì)[J]. 通信電源技術(shù), 2013, 30 (2): 35-37.

Bao erhen. MOSFET driver circuit analysis and design [J] communication power technology, 2013, 30 (2): 35-37.

[7] 王華彪. MOSFET和IGBT器件的隔離驅(qū)動(dòng)技術(shù)電源技術(shù)應(yīng)用[J]. 電源技術(shù)應(yīng)用, 2006, 9(5): 43-45.

Wang huabiao. Isolation MOSFET and IGBT power device drive technology Application [J] Power Technology, 2006, 9(5): 43-45.

[8] 吳勝華. 高壓懸浮驅(qū)動(dòng)器IR2110的原理和擴(kuò)展應(yīng)用[J]. 電源技術(shù)應(yīng)用, 2002, 5(70): 348-351.

Wu shenghua. The principle of high pressure suspension driver IR2110 and extended application [J] Power Technology, 2002, 5(70): 348-351.

[9] 謝運(yùn)祥. 驅(qū)動(dòng)器及其在逆變器中的應(yīng)用[J]. 微電機(jī), 2001, 34(2): 50-52.

Xie yunxiang. The drives and their applications [J] in the inverter micro-motor, 2001, 34(2): 50-52.

MOSFET and IGBT Driver Circuit Research and Design

HU Tao1, TANG Yongqi2, HUANG Linsen1, LIN Xuan2, CHEN Lijuan2
(1. School of Electrical and Information Engineering, Huan University of Technology, Zhuzhou 412007, China; 2. School of Electrical and Information Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411101, China)

At present, the upper arm drive circuit in the bridge circuit is often used bootstrap drive, besause of each arm using the same set of power. Accordingly there is therefore interfere with each other, while parameter selection is not reasonable when there will be higher voltage spikes damage the driver chip and switch, the drive circuit in demanding situations usually require separate power supply for each leg. Currently on the market isolation DC / DC more products, but designed specifically for isolated drive isolated DC / DC products is still relatively small. Through the study of the power MOSFET and IGBT turn-off characteristics and properties, obtained power MOSFET and IGBT drive circuits. Designed a isolated DC / DC, suitable for power MOSFET and IGBT driver circuit isolation. By experimental tests the performance of the drive circuit.

Isolated DC / DC; IGBT; MOSFET; driver circuit isolation

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.03.02

: HU Tao, TANG Yongqi, HUANG Linsen, et al.. MOSFET and IGBT driver circuit research and design [J]. The Journal of New Industrialization, 2015, 5(3): 11?19.

國家自然科學(xué)基金(51177040), 湖南省研究生創(chuàng)新培養(yǎng)項(xiàng)目(CX2014B439)。

胡濤(1989-), 男, 湖北宜昌人, 湖南工業(yè)大學(xué)碩士生, 主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代電力電子技術(shù)及系統(tǒng)。

胡濤，唐勇奇，黃林森，等．MOSFET與IGBT驅(qū)動(dòng)電路的研究與設(shè)計(jì)[J]．新型工業(yè)化，2015，5(3)：11-19