數(shù)字電源的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)講解

前面我們講到了電源的采樣原理和采樣調(diào)理電路。數(shù)字電源控制核心對(duì)輸入輸出參數(shù)進(jìn)行采集后，利用控制算法進(jìn)行分析從而產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，PWM信號(hào)將經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路的進(jìn)行功率放大和隔離，隨后接入功率開關(guān)器件從而完成電源的輸出控制。本篇將主要針對(duì)電源的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行講解。

一、驅(qū)動(dòng)電路概述

1、驅(qū)動(dòng)電路的作用

驅(qū)動(dòng)電路位于電源主電路和數(shù)字控制核心之間，其本質(zhì)是將數(shù)字控制核心產(chǎn)生的PWM信號(hào)進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)器件的開斷。優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)電路能夠提高數(shù)字電源的可靠性，減少器件的開關(guān)損耗，提高能量轉(zhuǎn)換效率并降低EMI/EMC。

2、驅(qū)動(dòng)電路的分類

驅(qū)動(dòng)電路按照功率器的件接地類型分為直接接地驅(qū)動(dòng)和浮動(dòng)接地驅(qū)動(dòng)。直接接地驅(qū)動(dòng)電路中功率器件的接地端電位恒定，常用的有推挽驅(qū)動(dòng)以及圖騰柱驅(qū)動(dòng)等。浮動(dòng)接地驅(qū)動(dòng)的功率器件接地端電位會(huì)隨電路狀態(tài)變化而浮動(dòng)。典型的浮動(dòng)接地驅(qū)動(dòng)電路為自舉驅(qū)動(dòng)電路，它通過(guò)電平位移電路連接驅(qū)動(dòng)電路與器件接地參考控制信號(hào)。自舉電容器 CBST、圖騰柱雙極驅(qū)動(dòng)器和常規(guī)柵極電阻器都可作為電平位移電路。此外，一些驅(qū)動(dòng)芯片已內(nèi)置自舉電路，可直接將自舉信號(hào)接入功率器件基準(zhǔn)端。

驅(qū)動(dòng)電路按照電路結(jié)構(gòu)分為隔離型驅(qū)動(dòng)和非隔離型驅(qū)動(dòng)。隔離型驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)電路。非隔離驅(qū)動(dòng)電路不具有電氣隔離結(jié)構(gòu)，多采用電阻、二極管、三極管或非隔離型驅(qū)動(dòng)芯片。

3、常見驅(qū)動(dòng)電路形式

1）直接驅(qū)動(dòng)

直接驅(qū)動(dòng)電路是由單個(gè)電子元器件（如二極管、三極管、電阻、電容等）連接起來(lái)組成的驅(qū)動(dòng)電路，電路中不具備電氣隔離，多用于功能簡(jiǎn)單的小功率驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。在復(fù)雜的數(shù)字電源系統(tǒng)中，直接驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)

電路包含隔離器件，常用的有光耦驅(qū)動(dòng)、變壓器驅(qū)動(dòng)以及隔離電容驅(qū)動(dòng)等。其中光耦驅(qū)動(dòng)電路具有簡(jiǎn)單、可靠、開關(guān)性能好等特點(diǎn)。而變壓器驅(qū)動(dòng)電路不僅可以起到驅(qū)動(dòng)作用，還可用于電壓隔離和阻抗匹配。

3）專用驅(qū)動(dòng)集成芯片

目前專用驅(qū)動(dòng)芯片在數(shù)字電源中應(yīng)用廣泛，許多驅(qū)動(dòng)芯片自帶保護(hù)和隔離功能。根據(jù)其控制的功率器件數(shù)量，驅(qū)動(dòng)芯片可以分為單驅(qū)芯片與雙驅(qū)芯片。其中雙驅(qū)芯片通常用于半橋、全橋等電源拓?fù)?，因?yàn)樾枰粚?duì)互補(bǔ)的控制信號(hào)。而單驅(qū)芯片則更適用于buck、boost、反激等電源拓?fù)洹?/p>

二、功率開關(guān)管常用驅(qū)動(dòng)

1、MOSFET驅(qū)動(dòng)

MOSFET常用于中小功率數(shù)字電源，其驅(qū)動(dòng)電壓范圍一般在-10~20V之間。MOSFET對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的功率要求不高，在低頻場(chǎng)合可利用三極管直接驅(qū)動(dòng)，而在高頻場(chǎng)合多采用變壓器或?qū)Ｓ眯酒M(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

1）三極管驅(qū)動(dòng)電路

三級(jí)管驅(qū)動(dòng)電路是最基本的MOS管驅(qū)動(dòng)電路，下面以N—MOS三極管驅(qū)動(dòng)電路為例。

如圖，當(dāng)控制核心輸出高電平時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，N-MOS管Q2控制極（G）被拉低，MOS管截止；當(dāng)控制核心輸出低電平時(shí)，三極管Q1截止，電阻R3和R4對(duì)電源（V+）分壓，MOS管導(dǎo)通并達(dá)到飽和狀態(tài)。

G極電壓為:

Vcc * R4

VG = —————

(R3 + R4)

2）推挽驅(qū)動(dòng)電路

當(dāng)電源IC驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí)可使用推挽驅(qū)動(dòng)電路。推挽驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)電路包含一個(gè)PNP三極管及一個(gè)NPN三極管，采用互補(bǔ)輸出。輸入高電平時(shí)，上管NPN開啟，下管PNP關(guān)閉，驅(qū)動(dòng)MOS管開啟；輸入低電平時(shí)，上管NPN關(guān)閉，下管PNP開啟，驅(qū)動(dòng)MOS管關(guān)閉。

3）雙端變壓器耦合柵極驅(qū)動(dòng)

雙端變壓器耦合柵極驅(qū)動(dòng)電路可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)MOS管，多用于高功率半橋和全橋轉(zhuǎn)換器中，其電路結(jié)構(gòu)如圖。

在第一個(gè)周期內(nèi)OUTA 開啟，給變壓器一次繞組施加正電壓，上管感應(yīng)導(dǎo)通。在接下來(lái)的一個(gè)周期內(nèi)，OUTB 開啟（開啟時(shí)間與OUTA相同），在磁化電感上提供極性相反的電壓，下管導(dǎo)通。電路會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)雙極性對(duì)稱的柵極驅(qū)動(dòng)電壓輸出，符合半橋電路的控制要求。

2、IGBT驅(qū)動(dòng)

IGBT常被用于中大功率數(shù)字電源開發(fā)，其驅(qū)動(dòng)電壓范圍為-15~15V。

IGBT驅(qū)動(dòng)電路分為正壓驅(qū)動(dòng)和負(fù)壓驅(qū)動(dòng)，兩者的區(qū)別在于關(guān)斷時(shí)的門極電位。采用負(fù)壓關(guān)斷可以避免因米勒電容對(duì)門極電壓的抬升作用而產(chǎn)生的誤導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn)，還可以加快關(guān)斷速度，減小關(guān)斷損耗，從一定程度上提高耐壓。

IGBT的驅(qū)動(dòng)電路一般采用專用的驅(qū)動(dòng)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(jìn)行介紹。

1）東芝TLP250芯片

在低性能的三相電壓源或逆變器中，會(huì)通過(guò)監(jiān)測(cè)直流母線電流來(lái)實(shí)現(xiàn)電流控制，檢測(cè)結(jié)果可以用于IGBT的過(guò)流保護(hù)。在這類電路中，對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路的要求相對(duì)簡(jiǎn)單。東芝公司生產(chǎn)的TLP250在這種場(chǎng)景中應(yīng)用較多，其驅(qū)動(dòng)電路如圖所示。

TLP250內(nèi)置光耦合器，其隔離電壓可達(dá)2500V，上升和下降時(shí)間均小于0.5us，輸出電流達(dá)0.5A，可直接驅(qū)動(dòng)50A/1200V以內(nèi)的IGBT。驅(qū)動(dòng)器體積小，價(jià)格便宜，是不帶過(guò)電流保護(hù)的IGBT驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)芯片，芯片輸出電流典型值為2A，可用于600V/1200V IGBT驅(qū)動(dòng)。其內(nèi)部集成了無(wú)芯變壓器實(shí)現(xiàn)電氣絕緣隔離，能直接連接電源微控制器。

同時(shí)，芯片具有過(guò)電流和短路保護(hù)的DESAT檢測(cè)功能、有源米勒箝位功能以及兩級(jí)關(guān)斷（TLTO）功能，常被用于逆變器和DC/DC轉(zhuǎn)換器等場(chǎng)合。

3、其他功率器件驅(qū)動(dòng)

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(shù)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(qiáng)、通態(tài)電阻低和開關(guān)損耗小等特點(diǎn)，適用于高頻高壓場(chǎng)合；SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)電壓范圍為-5~20V，其驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮驅(qū)動(dòng)電平與驅(qū)動(dòng)電流的要求，死區(qū)時(shí)間設(shè)定的要求，芯片所帶的保護(hù)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(qū)動(dòng)，它的柵源極驅(qū)動(dòng)電壓范圍為-5~6V。為了獲得較小的驅(qū)動(dòng)電阻， 氮化鎵晶體管驅(qū)動(dòng)高電平一般設(shè)置在5V左右，考慮到高頻工作條件下回路的寄生感抗會(huì)引起較大的驅(qū)動(dòng)振蕩，驅(qū)動(dòng)電壓的安全裕量很小。但是GaN相對(duì)于Si MOSFET的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)在于其高頻性能優(yōu)異。

關(guān)于電源的驅(qū)動(dòng)電路就講到這里，想必大家已初步了解驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)現(xiàn)方式以及工作原理。在實(shí)際設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)可根據(jù)使用場(chǎng)景要求（功率、頻率、保護(hù)、驅(qū)動(dòng)電壓/電流等）選擇合適的驅(qū)動(dòng)電路形式。后面我們將介紹另一類重要的電源外圍電路——通訊電路。

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編輯：黃飛

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