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适用于IGBT栅极驱动器的MOSFET技术原理

作者:海飞乐技术 时间:2018-05-23 14:25

  由于MOSFET推挽电路的栅极驱动器适用于IGBT数字控制,因而被广泛应用。然而,与BJT射极跟随器相似,其不能工作在线性区。P沟道MOSFET VT1的源极与正电压源相连。如果VT1栅极电位低于源极电位时,VT1开通,从而开通IGBT,此时IGBT输入电容和反向传输电容的充电电流Ion由栅极电阻RGon限定,关断IGBT由N沟道的MOSFET VT2完成。在这种情况下,RGoff决定了栅极电流Ioff。N沟道MOSFET的源极引脚与负电源电压连接??╒T2时,栅-源极电压需要达到10V(取决于MOSFET的特定类型),而0V关断VT2。图1给出了控制电压为5V的MOSFET推挽栅极驱动器原理。

图1 控制电压为5V的MOSFET推挽栅极驱动器原理 
图1 控制电压为5V的MOSFET推挽栅极驱动器原理
  与BJT的栅极驱动器相比,MOSFET栅极驱动器有自身的优势,可以用一个很小的控制电流产生一个较大的栅极驱动电流。此外,MOSFET开关速度快,开关损耗低。对于低电压IGBT的应用而言,并不需要精密的控制,所以这样的驱动器成本比那些使用BJT的驱动器成本更低。
  对于应用于大功率或高阻断电压的IGBT,为了更好地控制MOSFET的驱动级,驱动器可能要选择不同的栅极电阻。
  IGBT导通时的du/dt和di/dt受栅极导通电阻RGon影响。在IGBT关断时,RGoff能控制du/dt,且较大的栅极关断电阻RGoff也能降低di/dt。由于以上特点,可以采用一个较大的RGoff,当检测到短路或是过电流,可以关断IGBT,这样可以减小di/dt,?;GBT免受断开电路所产生的过电压尖峰损毁。在IGBT开通时,开通电阻RGon也可以影响到二极管的换流。图2给出了一个栅极电阻可调的MOSFET驱动器,该驱动器采用了不同的开通和关断电阻。
图2 栅极电阻可调的MOSFET驱动器 
图2 栅极电阻可调的MOSFET驱动器
  何时选择哪个栅极电阻,可由一个足够快的数字控制器控制,如FPGA。同时可通过调整栅极电阻实现栅极电压泵升。现在,这种栅极控制系统多以数字驱动器闻名。当使用这类驱动器时,设计者必须注意IGBT不超过功率半导体的安全工作区。同时,在使用EPROM时,必须考虑工作温度范围,避免数据丢失。因此,在与安全相关的应用中,要事先仔细考虑使用可编程设备的可行性。如果使用得当,采用数字驱动器可以减小开关损耗,同时增加半导体的可控性。表1给出了能用于IGBT栅极驱动器的MOSFET芯片。
表1 能用于IGBT栅极驱动器的MOSFET芯片
能用于IGBT栅极驱动器的MOSFET芯片

 
  MOSFET源极跟随器
  MOSFET源极跟随器并不适用于IGBT栅极驱动系统。然而,当引用和介绍N沟道推挽栅极驱动器时,会涉及MOSFET源极跟随器,因此下面将简要讨论。
  MOSFET源极跟随器包含MOSFET。MOSFET应用于此,原则上比BJT有一些优势。然而,作为功率MOSFET,这个器件的漏-栅极电容和栅-源极电容较大。因此,它可以作为一个源极跟随器,以实现更好的互连,如图3所示。在这种情况下,漏-栅极电容不会因密勒电容而动态增加,同时栅-源极电容也更小。当MOSFET导通时,IGBT的输入和反向传输电容充电,电流不再流入IGBT栅极。BJT在这种情况下会在集电极和发射极间有1V的电压降,而MOSFET的漏极与源极电压降约为0V,并且提供轨对轨输出,正向电压源不必调整为16V来抵消像BJT电路一样的内部电压降,即可以设计为15V。另外MOSFET源极跟随器对IGBT出现短路时有优势。尽管有这些优势,MOSFET源极跟随器并不用于IGBT栅极驱动。由于N沟道和P沟道控制需要一个比参考电压源高接近10V的栅-源极电压(见图3),因此电压转换器和电荷泵的成本相对较高。
图3  MOSFET作为源极跟随器 
图3  MOSFET作为源极跟随器



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