MOSFET、IGBT絕緣柵極隔離驅動技術-KIA MOS管

MOSFET以及IGBT絕緣柵雙極性大功率管等器件的源極和柵極之間是絕緣的二氧化硅結構，直流電不能通過，因而低頻的表態驅動功率接近于零。但是柵極和源極之間構成了一個柵極電容Cgs，因而在高頻率的交替開通和需要關斷時需要一定的動態驅動功率。

小功率MOSFET的Cgs一般在10-100pF之內，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，因而需要較大的動態驅動功率。更由于漏極到柵極的密勒電容Cdg，柵極驅動功率往往是不可忽視的。

因IGBT具有電流拖尾效應，在關斷時要求更好的抗干擾性，需要負壓驅動。MOSFET速度比較快，關斷時可以沒有負壓，但在干擾較重時，負壓關斷對于提高可靠性有很大好處。

ADuM4120柵極驅動器

隔離驅動技術

1、光電耦合器隔離的驅動器

光電耦合器的優點是體積小巧，缺點是：A、反應較慢，因而具有較大的延遲時間(高速型光耦一般也大于300ns);B、光電耦合器的輸出級需要隔離的輔助電源供電。

2、無源變壓器驅動

用脈沖變壓器隔離驅動絕緣柵功率器件有三種方法：無源、有源和自給電源驅動。無源方法就是用變壓器次級的輸出直流驅動絕緣柵器件，這種方法很簡單也不需要單獨的驅動電源。

缺點是輸出波型失真較大，因為絕緣柵功率器件的柵源電容Cgs一般較大。減小失真的辦法是將初級的輸入信號改為具有一定功率的大信號，相應脈沖變壓器也應取較大體積，但在大功率下，一般仍不令人滿意。

另一缺點是當占空比變化較大時，輸出驅動脈沖的正負幅值變化太大，可能導致工作不正常，因此只適用于占空比變化不大的場合。

3、有源變壓器驅動

有源方法中的變壓器只提供隔離的信號，在次級另有整形放大電路來驅動絕緣柵功率器件，當然驅動波形較好，但是需要另外提供單獨的輔助電源供給放大器。而輔助電源如果處理不當，可能會引進寄生的干擾。

4、調制型自給電源的變壓器隔離驅動器

采用自給電源技術，只用一個變壓器，既省卻了輔助電源，又能得到較快的速度，當然是不錯的方法。目前自給電源的產生有調制和從分時兩種方法。

調制技術是比較經典的方法，即對PWM驅動信號進行高頻(幾個MHZ以上)調制，并將調制信號加在隔離脈沖變壓器初級，在次級通過直接整流得到自給電源，而原PWM調制信號則需經過解調取得，顯然，這種方法并不簡單。調制式的另一缺點是PWM的解調要增加信號的延時，調制方式適于傳遞較低頻率的PWM信號。

5、分時型自給電源的變壓器隔離驅動器

分時技術是一種較新的技術，其原理是，將信號和能量的傳送采取分別進行的方法，即在變壓器輸入PWM信號的上升和下降沿傳遞信息，在輸入信號的平頂階段傳遞驅動所需要的能量。

由于在PWM信號的上升和下降沿只傳遞信號，基本沒有能量傳輸，因而輸出的PWM脈沖的延時和畸變都很小，能獲得陡峭的驅動輸出脈沖。分時型自給電源驅動器的不足是用于低頻時變壓器的體積較大，此外由于自給能量的限制，驅動超過300A/1200V的IGBT比較困難。

下圖中顯示了ADuM4121柵極驅動器的典型設置，采用半橋配置，采用功率MOSFET，適用于電源和電機驅動應用。在這樣的設置中，如果兩個Q1和 Q2同時打開，由于電源和接地端子短路，有可能擊穿。這可能會永久損壞開關甚至驅動電路。為避免擊穿，必須在系統中插入死區時間，以便大大降低兩個開關同時打開的可能性。

在死區時間間隔內，兩個開關的柵極信號都很低，因此，開關理想情況下處于關斷狀態。如果傳播延遲偏差較低，則所需的死區時間較低，并且控制變得更加可預測。具有更低的偏斜和更低的死區時間，可實現更平穩、更高效的系統運行。

隔離：

它是系統中各種功能電路之間的電氣分離，使得它們之間沒有直接的傳導路徑可用。這允許單個電路具有不同的接地電位。信號和/或功率仍然可以使用電感、電容或光學方法在隔離電路之間傳遞。

對于具有柵極驅動器的系統，出于功能目的，隔離可能是必要的，也可能是一項安全要求。在上圖中，我們可以有 V總線數百伏特，數十安培電流通過 Q1或 Q2在給定時間。

如果該系統出現任何故障，如果損壞僅限于電子元件，則可能不需要安全隔離，但如果控制側有人為參與，則需要在高功率側和低壓控制電路之間進行電氣隔離。它提供高壓側任何故障保護，因為隔離柵阻止電力到達用戶，盡管組件損壞或故障。

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