電源常用電路—驅(qū)動電路詳解
2024/3/18 14:17:03??????點(diǎn)擊：
我們知道，數(shù)字電源控制核心對輸入輸出參數(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，PWM信號將經(jīng)過驅(qū)動電路的進(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。
本文就接著對電源的驅(qū)動電路給大家進(jìn)行講解啦。
驅(qū)動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信號進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動功率開關(guān)器件的開斷。
▍驅(qū)動電路的分類
驅(qū)動電路按照功率器的件接地類型分為：
直接接地驅(qū)動電路中功率器件的接地端電位恒定，常用的有推挽驅(qū)動以及圖騰柱驅(qū)動等。
浮動接地驅(qū)動的功率器件接地端電位會隨電路狀態(tài)變化而浮動。典型的浮動接地驅(qū)動電路為自舉驅(qū)動電路，它通過電平位移電路連接驅(qū)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(qū)動器和常規(guī)柵極電阻器都可作為電平位移電路。
驅(qū)動電路按照電路結(jié)構(gòu)分為：
隔離型驅(qū)動電路是指包含光耦、變壓器、電容等具有電氣隔離功能器件的驅(qū)動電路。
非隔離驅(qū)動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)動芯片。
▍常見驅(qū)動電路形式
1、直接驅(qū)動
直接驅(qū)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(qū)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(qū)動場合。在復(fù)雜的數(shù)字電源系統(tǒng)中，直接驅(qū)動電路由于集成度低、故障率高等原因，已被逐漸淘汰。
目前專用驅(qū)動芯片在數(shù)字電源中應(yīng)用廣泛，許多驅(qū)動芯片自帶保護(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)樾枰粚パa(bǔ)的控制信號。而單驅(qū)芯片則更適用于buck、boost、反激等電源拓?fù)洹?/span>
▍MOSFET驅(qū)動
MOSFET常用于中小功率數(shù)字電源，其驅(qū)動電壓范圍一般在-10~20V之間。MOSFET對驅(qū)動電路的功率要求不高，在低頻場合可利用三極管直接驅(qū)動，而在高頻場合多采用變壓器或?qū)Ｓ眯酒M(jìn)行驅(qū)動。
1、三極管驅(qū)動電路
三級管驅(qū)動電路是最基本的MOS管驅(qū)動電路，下面以N—MOS三極管驅(qū)動電路為例。
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對電源（V+）分壓，MOS管導(dǎo)通并達(dá)到飽和狀態(tài)。
G極電壓為:
2、推挽驅(qū)動電路
當(dāng)電源IC驅(qū)動能力不足時(shí)可使用推挽驅(qū)動電路。
推挽驅(qū)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(qū)動電路包含一個PNP三極管及一個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MOS管關(guān)閉。
3、雙端變壓器耦合柵極驅(qū)動
雙端變壓器耦合柵極驅(qū)動電路可同時(shí)驅(qū)動兩個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。在接下來的一個周期內(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。電路會產(chǎn)生兩個雙極性對稱的柵極驅(qū)動電壓輸出，符合半橋電路的控制要求。
▍IGBT驅(qū)動
IGBT常被用于中大功率數(shù)寧電源開發(fā) ，其驅(qū)動電壓范圍為-15~15V。
IGBT驅(qū)動電路分為正壓驅(qū)動和負(fù)壓驅(qū)動，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)動電路一般采用專用的驅(qū)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(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，會通過監(jiān)測直流母線電流來實(shí)現(xiàn)電流控制，檢測結(jié)果可以用于IGBT的過流保護(hù)。
在這類電路中，對IGBT驅(qū)動電路的要求相對簡單。東芝公司生產(chǎn)的TLP250在這種場景中應(yīng)用較多，其驅(qū)動電路如圖所示。
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50A/1200V以內(nèi)的IGBT。驅(qū)動器體積小，價(jià)格便宜，是不帶過電流保護(hù)的IGBT驅(qū)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(qū)動芯片，芯片輸出電流典型值為2A，可用于600V/1200V IGBT驅(qū)動。其內(nèi)部集成了無芯變壓器實(shí)現(xiàn)電氣絕緣隔離，能直接連接電源微控制器。
同時(shí)，芯片具有過電流和短路保護(hù)的DESAT檢測功能、有源米勒箝位功能以及兩級關(guān)斷（TLTO）功能，常被用于逆變器和DC/DC轉(zhuǎn)換器等場合。
▍其他功率器件驅(qū)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(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)，適用于高頻高壓場合。
SiC MOSFET的驅(qū)動電壓范圍為-5~20V，其驅(qū)動電路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮驅(qū)動電平與驅(qū)動電流的要求，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，它的柵源極驅(qū)動電壓范圍為-5~6V。
為了獲得較小的驅(qū)動電阻， 氮化鎵晶體管驅(qū)動高電平一般設(shè)置在5V左右，考慮到高頻工作條件下回路的寄生感抗會引起較大的驅(qū)動振蕩，驅(qū)動電壓的安全裕量很小。但是GaN相對于Si MOSFET的一個重要優(yōu)勢在于其高頻性能優(yōu)異。
關(guān)于電源的驅(qū)動電路就講到這里啦，想必大家都已經(jīng)對驅(qū)動電路的實(shí)現(xiàn)方式以及工作原理有了一定的了解。
這里多啰嗦一句，在實(shí)際設(shè)計(jì)驅(qū)動電路時(shí)，我們可根據(jù)使用場景要求（功率、頻率、保護(hù)、驅(qū)動電壓/電流等）選擇最合適的驅(qū)動電路形式。
本文就接著對電源的驅(qū)動電路給大家進(jìn)行講解啦。
驅(qū)動電路概述
▍驅(qū)動電路的作用
驅(qū)動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信號進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動功率開關(guān)器件的開斷。
▍驅(qū)動電路的分類
驅(qū)動電路按照功率器的件接地類型分為：
直接接地驅(qū)動電路中功率器件的接地端電位恒定，常用的有推挽驅(qū)動以及圖騰柱驅(qū)動等。
浮動接地驅(qū)動的功率器件接地端電位會隨電路狀態(tài)變化而浮動。典型的浮動接地驅(qū)動電路為自舉驅(qū)動電路，它通過電平位移電路連接驅(qū)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(qū)動器和常規(guī)柵極電阻器都可作為電平位移電路。
驅(qū)動電路按照電路結(jié)構(gòu)分為：
隔離型驅(qū)動電路是指包含光耦、變壓器、電容等具有電氣隔離功能器件的驅(qū)動電路。
非隔離驅(qū)動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)動芯片。
▍常見驅(qū)動電路形式
1、直接驅(qū)動
直接驅(qū)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(qū)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(qū)動場合。在復(fù)雜的數(shù)字電源系統(tǒng)中，直接驅(qū)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(qū)動
電路包含隔離器件，常用的有光耦驅(qū)動、變壓器驅(qū)動以及隔離電容驅(qū)動等。其中光糟驅(qū)動電路具有簡單、可靠、開關(guān)性能好等特點(diǎn)。而變壓器驅(qū)動電路不僅可以起到驅(qū)動作用，還可用于電壓隔離和阻抗匹配。
3、專用驅(qū)動集成芯片
目前專用驅(qū)動芯片在數(shù)字電源中應(yīng)用廣泛，許多驅(qū)動芯片自帶保護(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)樾枰粚パa(bǔ)的控制信號。而單驅(qū)芯片則更適用于buck、boost、反激等電源拓?fù)洹?/span>
功率開關(guān)管常用驅(qū)動
▍MOSFET驅(qū)動
MOSFET常用于中小功率數(shù)字電源，其驅(qū)動電壓范圍一般在-10~20V之間。MOSFET對驅(qū)動電路的功率要求不高，在低頻場合可利用三極管直接驅(qū)動，而在高頻場合多采用變壓器或?qū)Ｓ眯酒M(jìn)行驅(qū)動。
1、三極管驅(qū)動電路
三級管驅(qū)動電路是最基本的MOS管驅(qū)動電路，下面以N—MOS三極管驅(qū)動電路為例。
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對電源（V+）分壓，MOS管導(dǎo)通并達(dá)到飽和狀態(tài)。
G極電壓為:
2、推挽驅(qū)動電路
當(dāng)電源IC驅(qū)動能力不足時(shí)可使用推挽驅(qū)動電路。
推挽驅(qū)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(qū)動電路包含一個PNP三極管及一個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MOS管關(guān)閉。
3、雙端變壓器耦合柵極驅(qū)動
雙端變壓器耦合柵極驅(qū)動電路可同時(shí)驅(qū)動兩個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。在接下來的一個周期內(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。電路會產(chǎn)生兩個雙極性對稱的柵極驅(qū)動電壓輸出，符合半橋電路的控制要求。
▍IGBT驅(qū)動
IGBT常被用于中大功率數(shù)寧電源開發(fā) ，其驅(qū)動電壓范圍為-15~15V。
IGBT驅(qū)動電路分為正壓驅(qū)動和負(fù)壓驅(qū)動，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)動電路一般采用專用的驅(qū)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(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，會通過監(jiān)測直流母線電流來實(shí)現(xiàn)電流控制，檢測結(jié)果可以用于IGBT的過流保護(hù)。
在這類電路中，對IGBT驅(qū)動電路的要求相對簡單。東芝公司生產(chǎn)的TLP250在這種場景中應(yīng)用較多，其驅(qū)動電路如圖所示。
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50A/1200V以內(nèi)的IGBT。驅(qū)動器體積小，價(jià)格便宜，是不帶過電流保護(hù)的IGBT驅(qū)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(qū)動芯片，芯片輸出電流典型值為2A，可用于600V/1200V IGBT驅(qū)動。其內(nèi)部集成了無芯變壓器實(shí)現(xiàn)電氣絕緣隔離，能直接連接電源微控制器。
同時(shí)，芯片具有過電流和短路保護(hù)的DESAT檢測功能、有源米勒箝位功能以及兩級關(guān)斷（TLTO）功能，常被用于逆變器和DC/DC轉(zhuǎn)換器等場合。
▍其他功率器件驅(qū)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(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)，適用于高頻高壓場合。
SiC MOSFET的驅(qū)動電壓范圍為-5~20V，其驅(qū)動電路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮驅(qū)動電平與驅(qū)動電流的要求，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，它的柵源極驅(qū)動電壓范圍為-5~6V。
為了獲得較小的驅(qū)動電阻， 氮化鎵晶體管驅(qū)動高電平一般設(shè)置在5V左右，考慮到高頻工作條件下回路的寄生感抗會引起較大的驅(qū)動振蕩，驅(qū)動電壓的安全裕量很小。但是GaN相對于Si MOSFET的一個重要優(yōu)勢在于其高頻性能優(yōu)異。
關(guān)于電源的驅(qū)動電路就講到這里啦，想必大家都已經(jīng)對驅(qū)動電路的實(shí)現(xiàn)方式以及工作原理有了一定的了解。
這里多啰嗦一句，在實(shí)際設(shè)計(jì)驅(qū)動電路時(shí)，我們可根據(jù)使用場景要求（功率、頻率、保護(hù)、驅(qū)動電壓/電流等）選擇最合適的驅(qū)動電路形式。
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