基于IR2130的MOSFET驅動電路設計

張加嶺，李善波，侯穎釗，趙 杰，張 寧，苗 飛

（國網徐州供電公司，江蘇徐州221000）

1 引言

電力電子裝置的小型化對功率開關器件的工作頻率提出了越來越高的要求，各種全控型功率器件相繼出現，已經在開關變換器中得到了廣泛應用。MOSFET是一種單極性器件，沒有少數載流子的存儲效應，工作頻率可達幾十kHz至MHz，具有驅動功率小、功率容量大等優(yōu)點。應用在逆變器上的MOSFET能比其他功率元件提供更好效益，其中包括高載流能力，并能與逆并聯二極管配合使用。本文提出了一種工作頻率為16kHz且具有較強負載驅動能力和抗干擾能力的MOSFET隔離性驅動電路[1]。

2 MOSFET工作原理

金屬－氧化層半導體場效晶體管，簡稱金氧半場效晶體管（Metal－Oxide－Semiconductor Field－Effect Transistor，MOSFET）是一種可以廣泛使用在模擬電路與數字電路的場效晶體管。MOSFET根據其“通道”極性的不同分為“N型”和“P型”兩大類。MOSFET是用柵極電壓來控制漏極電流的，因此它的第一個顯著特點是驅動電路簡單，需要的驅動功率小。其第二個顯著特點是開關速度快，工作頻率高。

圖1 平面N溝道增強型MOSFET

要使增強型N溝道MOSFET工作，需在 G、S之間加正電壓 VGS，在D、S之間加正電壓VDS，則可產生正向工作電流ID。改變VGS的電壓可控制工作電流ID。若先不接VGS（即VGS＝0），在D與S極之間加一正電壓VDS，則漏極D與襯底之間的PN結處于反向，漏源之間不能導電。如果在柵極G與源極S之間加一電壓VGS，則可將柵極與襯底看作是電容器的兩個極板，而氧化物絕緣層則看作為電容器的介質。當加上VGS時，在絕緣層和柵極界面上可感應出正電荷，而在絕緣層和P型襯底界面上可感應出負電荷（如圖2所示）。這層感應的負電荷和P型襯底中的多數載流子（空穴）的極性相反，所以稱為“反型層”，這反型層有可能將漏與源的兩N型區(qū)連接起來形成導電溝道。

圖2 增強型MOSFET導通原理

3 MOSFET驅動電路

MOSFET對驅動電路的要求為：①柵極電壓必須高于母線電壓10V～15V，而且柵極電壓可能是系統(tǒng)中的最高電壓；②柵極的驅動電壓應隨源極電位的變化而對地浮動；③驅動電路吸收的功率很小，對系統(tǒng)總效率的影響幾乎可以忽略不計[2]。下面是幾種常用的MOSFET驅動電路[3]：

（1）柵－源浮動電源驅動（如圖3a所示）：每個MOSFET高壓側需要一個隔離電源，電平轉換電路錯綜復雜；

（2）變壓器隔離驅動（如圖3b所示）：雖然簡單便宜，但用于寬占空比范圍時技術復雜，且在頻率下降時變壓器尺寸顯著增加；

（3）自舉驅動（如圖3c所示）：雖簡單便宜，但具有與圖3b類似的限制，即占空比和開通時間都受自舉電容刷新的限制；

（4）電荷泵電路構成MOSFET驅動電路（如圖3d所示）：功率管可以得到很好的開關波形，同時電路具有結構簡單、成本低、易實現等優(yōu)點。

圖3 幾種常用的MOSFET驅動電路

4 基于IR2130的MOSFET驅動電路

IR公司推出的六輸出高壓柵極驅動器IR2130，其為28腳雙列直插芯片。該電路基于自舉驅動方法，驅動信號延時為ns級，開關頻率可從數十赫茲至數百千赫。IR2130具有六路輸入信號和六路輸出信號，其中六路輸出信號中的三路具有電平轉換功能，可直接驅動高壓側的功率器件。該驅動器可與主電路共地運行，且只需一路控制電源，克服了常規(guī)驅動器需要多路隔離電源的缺點，大大簡化了硬件設計。

IR2130有六個輸出驅動器，其信號取自三個輸人信號發(fā)生器，每個發(fā)生器提供兩個輸出。三個低側的驅動信號直接取自信號發(fā)生器Ll、L2、L3，而高側驅動信號Hl、H2、H3則必須通過電平轉換方能用于高側輸出驅動器[3]。

4.1 輸入邏輯控制

六個輸人中任何一個為邏輯低電平時，相應的輸出將為高電平，真值表如表1所示。

表1 IR2130輸入輸出真值表

4.2 IR2130的自舉電路[4]

IR2130除集成了一個全橋的驅動器以及各種保護功能外，最主要的技術是對自舉技術的巧妙應用。如圖4所示，Vbs（驅動電路Vb與Vs管腳之間的電壓差）給功率主電路上橋臂提供電源。

自舉電源主要由二極管和電容組成，電路工作原理如下：當Vs通過下端器件被拉到地電位時，15V的VCC電源通過自舉二極管（Dbs）給自舉電容（Cbs）充電，因此Vb與Vs之間產生一個接近于VCC的電勢差；當Vdc導通后，Vs的電壓變成主電路的電源電壓，由于自舉二極管的單向導通性，Vbs的電壓基本維持不變，但Vb相對于功率地的電平卻變成了Vdc＋Vbs，這就是“自舉”名稱的由來。顯然，Vbs為上橋臂驅動提供了一個懸浮電源。IR2130集成芯片同時提供了Vbs的欠壓保護，當Vbs電壓下降到8.35V以下時，將關閉高端驅動輸出，從而保證了CMOS管不會在高功耗下工作。下面就自舉電容和自舉二極管的選擇做一些分析。

圖4 IR2130的自舉電路

首先要指出的是，以下五個方面會影響自舉電源的工作：

a.驅動高壓側功率器件所需要的電荷；

b.高端驅動電路靜態(tài)電流的大??；

c.驅動IR2130中電平轉換電路的電流大小；

d.CMOS管柵源漏電流大??；

e.自舉電容的漏電流（僅當自舉電容為電解電容時考慮）。

依據上述因素可得自舉電容應該提供的最小電荷要求：

其中，Qgs—高端功率器件柵極電荷；f—功率器件的工作頻率；Icbs（leak）—自舉電容的漏電流；Iqbs（max）—高壓側驅動部分的靜態(tài)電流；QIs—每個周期內IR2130內部電平轉換所需的電荷量。自舉電容必須能夠提供這些電荷，并且保持其電壓基本不變。否則，Vbs將會有很大的電壓紋波，并且可能低于欠壓值 VVSUV（8.35），使高端無輸出并停止工作。因此，Cbs電容的電荷應該至少是最小電荷的2倍。最小電容值可以由下式計算得出：

其中，Vf—自舉二極管正向壓降，Vis—低端器件壓降。由上式計算得到的數值僅僅是自舉電容的最小容值，考慮到工作的可靠性，自舉電容的實際容值一般都選為最小容值的15倍以上。

在實際電路設計時還應當注意，低壓側功率器件的開通時間（或高壓側器件的關斷時間）有一個最小的要求。

下面討論一下自舉二極管的選擇問題。在高壓側器件導通時，自舉二極管必須能夠阻止母線的高電壓，并且應該用快恢復二極管，以減小從自舉電容向電源VCC的回饋電荷。如果電容需要長期貯存電荷時，高溫反向漏電流指標也很重要。

綜上所述，可得自舉二極管DBS的指標如下：

二極管的反向電壓：

二極管反向恢復時間：trr＞100ns

最大正向電流：IF＞QBS×f

由此可以得到如圖5所示的驅動電路圖。

4.3 故障邏輯

ITRIP是過流保護的邏輯輸入信號，該信號來自于由內部放大器、外部電阻、電位器構成的比較電路，電流比較輸出與電源欠壓監(jiān)測電路接入封鎖邏輯電路。一旦信號高電平有效，則封鎖6個輸出通道，同時送出一個故障信號給外部電路，實現在過流或欠壓情況下通過封鎖驅動輸出信號來達到保護IGBT的目的。

圖5 IR2130控制的MOSFET驅動電路

4.4 電流信號放大器

IR2130提供了一個信號放大器，以使三相逆變橋直流電源返回支路中的電流可以被檢測到。檢測電阻R所檢出的電壓（0～0.5V）可由電流放大器放大為0～5V的模擬信號并從CAO輸出，用于外部控制電路。

5 實驗結果及分析

實驗結果波形圖如圖6所示。

從圖中可以看出，圖 6（a）、圖 6（b）、圖 6（c）、圖6（d）、圖 6（e）、圖 6（f）分別為三相逆變電路的 A 相上、B相上、C相上、A相下、B相下、C相下輸入輸出的橋臂驅動信號。驅動信號已經適用于16kHz的高頻驅動，說明IR2130的驅動可行。實驗結果表明三相逆變電路MOSFET驅動電路已經可以正常工作，且同一橋臂的兩個MOSFET驅動電路可以比較精確地進行同步。

圖6 實驗結果波形圖

6 結束語

本文所設計的采用IR2130驅動芯片的MOSFET驅動電路工作穩(wěn)定可靠，可滿足快速高效、電氣隔離、較強驅動能力、較強抗干擾能力等要求。該MOSFET驅動電路目前已成功應用于一臺逆變器樣機中，且經長時間運行和監(jiān)測，其工作性能穩(wěn)定可靠?？梢?，采用了IR2130的MOSFET驅動電路能夠很好地滿足工況需求。