大功率mos管驅(qū)動(dòng)芯片工作原理與結(jié)構(gòu)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(shè)備中占領(lǐng)著中心位置，它的牢靠工作是整個(gè)安裝正常運(yùn)轉(zhuǎn)的根本條件。功率開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)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(duì)整個(gè)設(shè)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(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)器件。簡(jiǎn)而言之，驅(qū)動(dòng)電路的根本任務(wù)就是將控制電路傳來(lái)的信號(hào)，轉(zhuǎn)換為加在器件控制端和公共端之間的能夠使其導(dǎo)通和關(guān)斷的信號(hào)。
同樣的mos管功率器件，采用不同的驅(qū)動(dòng)電路將得到不同的開(kāi)關(guān)特性。采用性能良好的驅(qū)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(duì)安裝的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，牢靠性和平安性都有重要的意義。因而驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)劣直接影響主電路的性能，驅(qū)動(dòng)電路的合理化設(shè)計(jì)顯得越來(lái)越重要。晶閘管體積小，重量輕，效率高，壽命長(zhǎng)，運(yùn)用便當(dāng)，能夠便當(dāng)?shù)耐Ｖ拐骱湍孀?，且能夠在不改?dòng)電路構(gòu)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(fù)合器件，它具有開(kāi)關(guān)速度快、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動(dòng)功率小和驅(qū)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(yīng)用于各個(gè)范疇。
(1)功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，驅(qū)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(qū)動(dòng)功率，從而減小開(kāi)通損耗。
(2)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間，mos驅(qū)動(dòng)電路提供的基極電流在任何負(fù)載狀況下都能保證功率管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，保證比擬低的導(dǎo)通損耗。為減小存儲(chǔ)時(shí)間，器件關(guān)斷前應(yīng)處于臨界飽和狀態(tài)。
(3)關(guān)斷時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供足夠的反向基極驅(qū)動(dòng)，以疾速的抽出基區(qū)的剩余載流子，減小存儲(chǔ)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(dāng)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(qū)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(zhuǎn)換電路來(lái)驅(qū)動(dòng)晶閘管的導(dǎo)通。而關(guān)于 IGBT來(lái)說(shuō)目前用的較多的是 IGBT 的驅(qū)動(dòng)模塊，也有集成了 IGBT、 系統(tǒng)自維護(hù)、 自診斷等各個(gè)功用模塊的 IPM。
本文針對(duì)我們所用到的晶閘管，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)電路，并停止實(shí)考證明了它能夠驅(qū)動(dòng)晶閘管。而關(guān)于 IGBT的驅(qū)動(dòng)，本文主要引見(jiàn)了目前主要的幾種 IGBT 的驅(qū)動(dòng)方式，以及與它們相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，并對(duì)最常用的光耦隔離的驅(qū)動(dòng)方式停止了仿真實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)總電路圖如下圖所示首先是升壓電路，由于后級(jí)的隔離變壓器電路中的 MOS 管器件需求 15V 的觸發(fā)信號(hào)，所以，需求先把幅值 5V 的觸發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)成 15V 的觸發(fā)信號(hào)，經(jīng)過(guò) MC14504 把 5V 的信號(hào)， 轉(zhuǎn)換成為 15V的信號(hào)，然后再經(jīng)過(guò) CD4050 對(duì)輸出的 15V 驅(qū)動(dòng)信號(hào)整形， 實(shí)驗(yàn)的波形圖如圖所示， 通道 2 接的是 5V 輸入信號(hào)，通道 1 接的是輸出的 15V 的觸發(fā)信號(hào)。
第二局部是隔離變壓器電路，實(shí)驗(yàn)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(hào)，轉(zhuǎn)換成為 12V 的觸發(fā)信號(hào)去觸發(fā)后面的晶閘管的導(dǎo)通，并且做到 15V 的觸發(fā)信號(hào)與后級(jí)之距離。
該電路的工作原理是：由于 MOS 管 IRF640 的驅(qū)動(dòng)電壓為 15V，所以，首先是在 J1 處接入 15V 的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)電阻 R4 接穩(wěn)壓管 1N4746，使觸發(fā)電壓穩(wěn)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(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比， 能夠控制 MOS 管的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間。當(dāng) MOS 管開(kāi)通時(shí)，相當(dāng)于它的 D 極接地，關(guān)斷時(shí)是斷開(kāi)的，經(jīng)過(guò)后級(jí)電路相當(dāng)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(hào)。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(hào)。下圖 6 為該實(shí)驗(yàn)電路的仿真波形圖，為了便當(dāng)看清，我把 B 通道的正負(fù)引腳顛倒，測(cè)出圖中的電壓為負(fù)的，不過(guò)幅值是正確的。圖 7 是該電路的實(shí)驗(yàn)波形圖，與仿真波形圖一樣。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題
首先，開(kāi)端上電時(shí)，保險(xiǎn)絲忽然熔斷，后來(lái)查電路時(shí)發(fā)現(xiàn)最初的電路設(shè)計(jì)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(dāng)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(yàn)，電路工作正常。電路銜接正常，但是當(dāng)參加驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，MOS管發(fā)熱，加驅(qū)動(dòng)信號(hào)一段時(shí)間后，保險(xiǎn)絲熔斷，再加驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，保險(xiǎn)絲直接熔斷。檢查電路發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的高電平占空比過(guò)大，招致MOS管的開(kāi)通時(shí)間太長(zhǎng)。這個(gè)電路的設(shè)計(jì)使得當(dāng)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(dǎo)通時(shí)間過(guò)長(zhǎng)就使得電流過(guò)大，MOS管損壞，需求調(diào)理信號(hào) 的占空比不能太大，普通在 10%~20%左右。
為了驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)電路的可行性，我們用它來(lái)驅(qū)動(dòng)串連在一同的晶閘管電路，實(shí)驗(yàn)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(hào)經(jīng)過(guò)G11和G12接入，而Q5、Q11的觸發(fā)信號(hào)經(jīng)過(guò)G21、G22接入。在驅(qū)動(dòng)信號(hào)接到晶閘管門(mén)級(jí)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(dǎo)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(hào)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(hào)，經(jīng)過(guò)前級(jí)的驅(qū)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(hào)。 實(shí)驗(yàn)波形圖如圖 9 所示，兩路的觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)反并聯(lián)晶閘管電路正反導(dǎo)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(dǎo)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(hào)，4 通道測(cè)得是流過(guò)整個(gè)晶閘管的電流。
通道測(cè)得有正向的觸發(fā)信號(hào)時(shí)，觸發(fā)上面的晶閘管導(dǎo)通，電流為正;3 通道測(cè)得有反向的觸發(fā)信號(hào)時(shí)，觸發(fā)下路的晶閘管導(dǎo)通，電流為負(fù)。
大功率mos管驅(qū)動(dòng)芯片結(jié)構(gòu)如下在一塊摻雜濃度較低的P型半導(dǎo)體硅襯底上，用半導(dǎo)體光刻、擴(kuò)散工藝制作兩個(gè)高摻雜濃度的N+區(qū)，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(dǎo)體表面復(fù)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(gòu)成了一個(gè)N溝道（NPN型）增強(qiáng)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(jié)構(gòu)圖和代表符號(hào)。
同樣用上述相同的方法在一塊摻雜濃度較低的N型半導(dǎo)體硅襯底上，用半導(dǎo)體光刻、擴(kuò)散工藝制作兩個(gè)高摻雜濃度的P+區(qū)，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(qiáng)型MOS管。圖1-2所示A 、B分別是P溝道MOS管道結(jié)構(gòu)圖和代表符號(hào)。
從圖可以看出，增強(qiáng)型MOS管的漏極D和源極S之間有兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。當(dāng)柵-源電壓VGS=0時(shí)，即使加上漏-源電壓VDS，總有一個(gè)PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏-源極間沒(méi)有導(dǎo)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(duì)這個(gè)電容充電，并形成一個(gè)電場(chǎng)，隨著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(dǎo)電溝道，當(dāng)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(dǎo)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。控制柵極電壓VGS的大小改變了電場(chǎng)的強(qiáng)弱，就可以達(dá)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(yīng)管。
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