大功率mos管驅動(dòng)芯片工作原理與結構詳解-大功率mos管選型-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2019-01-23
功率開(kāi)關(guān)器件在電力電子設備中占領(lǐng)著(zhù)中心位置，它的牢靠工作是整個(gè)安裝正常運轉的根本條件。功率開(kāi)關(guān)器件的驅動(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。它對整個(gè)設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動(dòng)功率開(kāi)關(guān)器件。簡(jiǎn)而言之，驅動(dòng)電路的根本任務(wù)就是將控制電路傳來(lái)的信號，轉換為加在器件控制端和公共端之間的能夠使其導通和關(guān)斷的信號。
同樣的mos管功率器件，采用不同的驅動(dòng)電路將得到不同的開(kāi)關(guān)特性。采用性能良好的驅動(dòng)電路能夠使功率開(kāi)關(guān)器件工作在比擬理想的開(kāi)關(guān)狀態(tài)， 同時(shí)縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，減小開(kāi)關(guān)損耗，對安裝的運轉效率，牢靠性和平安性都有重要的意義。因而驅動(dòng)電路的優(yōu)劣直接影響主電路的性能，驅動(dòng)電路的合理化設計顯得越來(lái)越重要。晶閘管體積小，重量輕，效率高，壽命長(cháng)，運用便當，能夠便當的停止整流和逆變，且能夠在不改動(dòng)電路構造的前提下，改動(dòng)整流或逆變電流的大小。IGBT 是 mosFET 和 GTR的復合器件，它具有開(kāi)關(guān)速度快、熱穩定性好、驅動(dòng)功率小和驅動(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)被普遍的應用于各個(gè)范疇。
(1)功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，驅動(dòng)電路可以提供快速上升的基極電流，使得開(kāi)啟時(shí)有足夠的驅動(dòng)功率，從而減小開(kāi)通損耗。
(2)開(kāi)關(guān)管導通期間，mos驅動(dòng)電路提供的基極電流在任何負載狀況下都能保證功率管處于飽和導通狀態(tài)，保證比擬低的導通損耗。為減小存儲時(shí)間，器件關(guān)斷前應處于臨界飽和狀態(tài)。
(3)關(guān)斷時(shí)，驅動(dòng)電路應提供足夠的反向基極驅動(dòng)，以疾速的抽出基區的剩余載流子，減小存儲時(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。當然，晶閘管的關(guān)斷主要還是靠反向陽(yáng)極壓降來(lái)完成關(guān)斷的。
目前來(lái)說(shuō)，關(guān)于晶閘管的驅動(dòng)用的比擬多的只是經(jīng)過(guò)變壓器或者光耦隔離來(lái)把低壓端與高壓端隔開(kāi)，再經(jīng)過(guò)轉換電路來(lái)驅動(dòng)晶閘管的導通。而關(guān)于 IGBT來(lái)說(shuō)目前用的較多的是 IGBT 的驅動(dòng)模塊，也有集成了 IGBT、 系統自維護、 自診斷等各個(gè)功用模塊的 IPM。
本文針對我們所用到的晶閘管，設計實(shí)驗驅動(dòng)電路，并停止實(shí)考證明了它能夠驅動(dòng)晶閘管。而關(guān)于 IGBT的驅動(dòng)，本文主要引見(jiàn)了目前主要的幾種 IGBT 的驅動(dòng)方式，以及與它們相對應的驅動(dòng)電路，并對最常用的光耦隔離的驅動(dòng)方式停止了仿真實(shí)驗。
實(shí)驗設計總電路圖如下圖所示首先是升壓電路，由于后級的隔離變壓器電路中的 MOS 管器件需求 15V 的觸發(fā)信號，所以，需求先把幅值 5V 的觸發(fā)信號轉成 15V 的觸發(fā)信號，經(jīng)過(guò) MC14504 把 5V 的信號， 轉換成為 15V的信號，然后再經(jīng)過(guò) CD4050 對輸出的 15V 驅動(dòng)信號整形， 實(shí)驗的波形圖如圖所示， 通道 2 接的是 5V 輸入信號，通道 1 接的是輸出的 15V 的觸發(fā)信號。
第二局部是隔離變壓器電路，實(shí)驗電路圖如圖 4所示，該電路的主要功用是：把 15V 的觸發(fā)信號，轉換成為 12V 的觸發(fā)信號去觸發(fā)后面的晶閘管的導通，并且做到 15V 的觸發(fā)信號與后級之距離。
該電路的工作原理是：由于 MOS 管 IRF640 的驅動(dòng)電壓為 15V，所以，首先是在 J1 處接入 15V 的方波信號，經(jīng)過(guò)電阻 R4 接穩壓管 1N4746，使觸發(fā)電壓穩定，也使得觸發(fā)電壓不至于過(guò)高，燒壞 MOS 管，然后接到 MOS 管 IRF640(其實(shí)這就是個(gè)開(kāi)關(guān)管，控制后端的開(kāi)通和關(guān)斷) ， MOS 管的工作圖如下圖， 經(jīng)過(guò)控制驅動(dòng)信號的占空比， 能夠控制 MOS 管的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間。當 MOS 管開(kāi)通時(shí)，相當于它的 D 極接地，關(guān)斷時(shí)是斷開(kāi)的，經(jīng)過(guò)后級電路相當于接 24V。而變壓器就是經(jīng)過(guò)電壓的變化來(lái)使右端輸出 12V 的信號。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。下圖 6 為該實(shí)驗電路的仿真波形圖，為了便當看清，我把 B 通道的正負引腳顛倒，測出圖中的電壓為負的，不過(guò)幅值是正確的。圖 7 是該電路的實(shí)驗波形圖，與仿真波形圖一樣。
實(shí)驗過(guò)程中遇到的問(wèn)題
首先，開(kāi)端上電時(shí)，保險絲忽然熔斷，后來(lái)查電路時(shí)發(fā)現最初的電路設計有問(wèn)題。最初為了它的開(kāi)關(guān)管輸出的效果更好，把24V的地和15V 的地隔開(kāi)，這就使得MOS管的門(mén)極G極相當于后面的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，電路工作正常。電路銜接正常，但是當參加驅動(dòng)信號時(shí)，MOS管發(fā)熱，加驅動(dòng)信號一段時(shí)間后，保險絲熔斷，再加驅動(dòng)信號時(shí)，保險絲直接熔斷。檢查電路發(fā)現，驅動(dòng)信號的高電平占空比過(guò)大，招致MOS管的開(kāi)通時(shí)間太長(cháng)。這個(gè)電路的設計使得當MOS管開(kāi)通時(shí)，24V直接加到MOS管的兩端，并沒(méi)有加限流電阻，假如導通時(shí)間過(guò)長(cháng)就使得電流過(guò)大，MOS管損壞，需求調理信號 的占空比不能太大，普通在 10%~20%左右。
為了驗證驅動(dòng)電路的可行性，我們用它來(lái)驅動(dòng)串連在一同的晶閘管電路，實(shí)驗電路圖如下圖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)信號經(jīng)過(guò)G11和G12接入，而Q5、Q11的觸發(fā)信號經(jīng)過(guò)G21、G22接入。在驅動(dòng)信號接到晶閘管門(mén)級之前，為了進(jìn)步晶閘管的抗干擾才能，在晶閘管的門(mén)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(guò)控制晶閘管的導通角，來(lái)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，經(jīng)過(guò)前級的驅動(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。 實(shí)驗波形圖如圖 9 所示，兩路的觸發(fā)信號觸發(fā)反并聯(lián)晶閘管電路正反導通，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，4 通道測得是流過(guò)整個(gè)晶閘管的電流。
通道測得有正向的觸發(fā)信號時(shí)，觸發(fā)上面的晶閘管導通，電流為正;3 通道測得有反向的觸發(fā)信號時(shí)，觸發(fā)下路的晶閘管導通，電流為負。
大功率mos管驅動(dòng)芯片結構如下在一塊摻雜濃度較低的P型半導體硅襯底上，用半導體光刻、擴散工藝制作兩個(gè)高摻雜濃度的N+區，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型半導體表面復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。這就構成了一個(gè)N溝道（NPN型）增強型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分別是它的結構圖和代表符號。
同樣用上述相同的方法在一塊摻雜濃度較低的N型半導體硅襯底上，用半導體光刻、擴散工藝制作兩個(gè)高摻雜濃度的P+區，及上述相同的柵極制作過(guò)程，就制成為一個(gè)P溝道（PNP型）增強型MOS管。圖1-2所示A 、B分別是P溝道MOS管道結構圖和代表符號。
從圖可以看出，增強型MOS管的漏極D和源極S之間有兩個(gè)背靠背的PN結。當柵-源電壓VGS=0時(shí)，即使加上漏-源電壓VDS，總有一個(gè)PN結處于反偏狀態(tài)，漏-源極間沒(méi)有導電溝道（沒(méi)有電流流過(guò)），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(wú)法形成電流，氧化物層的兩邊就形成了一個(gè)電容，VGS等效是對這個(gè)電容充電，并形成一個(gè)電場(chǎng)，隨著(zhù)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型導電溝道，當VGS大于管子的開(kāi)啟電壓VT（一般約為 2V）時(shí)，N溝道管開(kāi)始導通，形成漏極電流ID，我們把開(kāi)始形成溝道時(shí)的柵-源極電壓稱(chēng)為開(kāi)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)的強弱，就可以達到控制漏極電流ID的大小的目的，這也是MOS管用電場(chǎng)來(lái)控制電流的一個(gè)重要特點(diǎn)，所以也稱(chēng)之為場(chǎng)效應管。
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