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        電源常用電路—驅動電路詳解

        2024/3/18 14:17:03??????點擊:
               我們知道,數字電源控制核心對輸入輸出參數進行采集后,利用控制算法進行分析從而產生PWM控制信號,PWM信號將經過驅動電路的進行功率放大和隔離,隨后接入功率開關器件從而完成電源的輸出控制。
               本文就接著對電源的驅動電路給大家進行講解啦。


               驅動電路概述


               ▍驅動電路的作用


           


               驅動電路位于電源主電路和數字控制核心之間,其本質是將數字控制核心產生的PWM信號進行功率放大,以驅動功率開關器件的開斷。


               ▍驅動電路的分類


            

               驅動電路按照功率器的件接地類型分為:

               直接接地驅動電路中功率器件的接地端電位恒定,常用的有推挽驅動以及圖騰柱驅動等。

               浮動接地驅動的功率器件接地端電位會隨電路狀態變化而浮動。典型的浮動接地驅動電路為自舉驅動電路,它通過電平位移電路連接驅動電路與器件接地參考控制信號。自舉電容器 CBST、圖騰柱雙極驅動器和常規柵極電阻器都可作為電平位移電路。


               驅動電路按照電路結構分為:

               隔離型驅電路是指包含光耦、變壓器、電容等具有電氣隔離功能器件的驅動電路。


               非隔離驅動電路不具有電氣隔離結構,多采用電阻、二極管、三極管或非隔離型驅動芯片。


               ▍常見驅動電路形式


               1、直接驅動

               直接驅動電路是由單個電子元器件(如二極管、三極管、電阻、電容等)連接起來組成的驅動電路,電路中不具備電氣隔離,多用于功能簡單的小功率驅動場合。在復雜的數字電源系統中,直接驅動電路由于集成度低、故障率高等原因,已被逐漸淘汰。


               2、隔離驅動

               電路包含隔離器件,常用的有光耦驅動、變壓器驅動以及隔離電容驅動等。其中光糟驅動電路具有簡單、可靠、開關性能好等特點。而變壓器驅動電路不僅可以起到驅動作用,還可用于電壓隔離和阻抗匹配。

               3、專用驅動集成芯片

               目前專用驅動芯片在數字電源中應用廣泛,許多驅動芯片自帶保護和隔離功能。

               根據其控制的功率器件數量,驅動芯片可以分為單驅芯片與雙驅芯片。其中雙驅芯片通常用于半橋、全橋等電源拓撲,因為需要一對互補的控制信號。而單驅芯片則更適用于buck、boost、反激等電源拓撲。

               功率開關管常用驅動

               ▍MOSFET驅動


               MOSFET常用于中小功率數字電源,其驅動電壓范圍一般在-10~20V之間。MOSFET對驅動電路的功率要求不高,在低頻場合可利用三極管直接驅動,而在高頻場合多采用變壓器或專用芯片進行驅動。


               1、三極管驅動電路


               三級管驅動電路是最基本的MOS管驅動電路,下面以N—MOS三極管驅動電路為例。


           




               如圖,當控制核心輸出高電平時,三極管Q1導通,N-MOS管Q2控制極(G)被拉低,MOS管截止;當控制核心輸出低電平時,三極管Q1截止,電阻R3和R4對電源(V+)分壓,MOS管導通并達到飽和狀態。


               G極電壓為:

                                                                                 
               2、推挽驅動電路


               當電源IC驅動能力不足時可使用推挽驅動電路。


               推挽驅動電路能提升電流供給能力并能快速完成柵極輸入電容充電。


           




               如圖所示,推挽驅動電路包含一個PNP三極管及一個NPN三極管,采用互補輸出。輸入高電平時,上管NPN開啟,下管PNP關閉,驅動MOS管開啟;輸入低電平時,上管NPN關閉,下管PNP開啟,驅動MOS管關閉。


               3、雙端變壓器耦合柵極驅動


               雙端變壓器耦合柵極驅動電路可同時驅動兩個MOS管,多用于高功率半橋和全橋轉換器中,其電路結構如圖。


           




               在第一個周期內OUTA 開啟,給變壓器一次繞組施加正電壓,上管感應導通。在接下來的一個周期內,OUTB 開啟(開啟時間與OUTA相同),在磁化電感上提供極性相反的電壓,下管導通。電路會產生兩個雙極性對稱的柵極驅動電壓輸出,符合半橋電路的控制要求。


               ▍IGBT驅動


              IGBT常被用于中大功率數寧電源開發 ,其驅動電壓范圍為-15~15V。


               IGBT驅動電路分為正壓驅動和負壓驅動,兩者的區別在于關斷時的門極電位。采用負壓關斷可以避免因米勒電容對門極電壓的抬升作用而產生的誤導通風險,還可以加快關斷速度,減小關斷損耗,從一定程度上提高耐壓。


               IGBT的驅動電路一般采用專用的驅動芯片,如東芝的TLP系列,富士公司的EXB系列,英飛凌的EiceDRIVER系列等。這里以東芝TLP250和英飛凌1ED020I12-F2為例進行介紹。


               1、東芝TLP250芯片


               低性能的三相電壓源或逆變器中,會通過監測直流母線電流來實現電流控制,檢測結果可以用于IGBT的過流保護。


               在這類電路中,對IGBT驅動電路的要求相對簡單。東芝公司生產的TLP250在這種場景中應用較多,其驅動電路如圖所示。


           



               TLP250內置光耦合器,其隔離電壓可達2500V,上升和下降時間均小于0.5us,輸出電流達0.5A,可直接驅動50A/1200V以內的IGBT。驅動器體積小,價格便宜,是不帶過電流保護的IGBT驅動芯片中的理想選擇。


               2、英飛凌1ED020I12-F2芯片


               英飛凌公司的1ED020I12F2是一款電流隔離單路IGBT驅動芯片,芯片輸出電流典型值為2A,可用于600V/1200V IGBT驅動。其內部集成了無芯變壓器實現電氣絕緣隔離,能直接連接電源微控制器。


            




               同時,芯片具有過電流和短路保護的DESAT檢測功能、有源米勒箝位功能以及兩級關斷(TLTO)功能,常被用于逆變器和DC/DC轉換器等場合。


               ▍其他功率器件驅動


               除了常用的MOS管和IGBT外,一些新型功率器件也廣泛使用于數字電源中,如SiC MOSFET和氮化鎵晶體管(GaN FET)等。


               SiC Mosfet管具有阻斷電壓高、工作頻率高、耐高溫能力強、通態電阻低和開關損耗小等特點,適用于高頻高壓場合。

               
               SiC MOSFET的驅動電壓范圍為-5~20V,其驅動電路設計應考慮驅動電平與驅動電流的要求,死區時間設定的要求,芯片所帶的保護功能以及抗干擾性等。


               氮化鎵晶體管與硅管相似,也是電壓驅動,它的柵源極驅動電壓范圍為-5~6V。


               為了獲得較小的驅動電阻, 氮化鎵晶體管驅動高電平一般設置在5V左右,考慮到高頻工作條件下回路的寄生感抗會引起較大的驅動振蕩,驅動電壓的安全裕量很小。但是GaN相對于Si MOSFET的一個重要優勢在于其高頻性能優異。


               關于電源的驅動電路就講到這里啦,想必大家都已經對驅動電路的實現方式以及工作原理有了一定的了解。


               這里多啰嗦一句,在實際設計驅動電路時,我們可根據使用場景要求(功率、頻率、保護、驅動電壓/電流等)選擇最合適的驅動電路形式。
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