開關電源的產生與發(fā)展的必然性

隨著各種用電設備的飛速發(fā)展，特別是通訊產業(yè)的突飛猛進，對電源不斷地提出新的要求：電功率要求不斷加大；電壓調節(jié)范圍要求越來越大；電流的穩(wěn)定性要求越 來越高；紋波與噪聲要求越來越低；體積要求越來越小等。為了適應這種現狀，開關電源的產生與發(fā)展成為了必然。

由于遠程供電的需要，需研制一臺高壓大功率直流開關電源。采用開關電源主要是因為開關電源功率可以做大、電壓可以做高、電壓調節(jié)范圍可以做廣。但是在整個 研制過程中發(fā)現驅動電路是比較困難且重要的環(huán)節(jié)。目前開關電源的國內外發(fā)展速度很快，技術非常成熟。20世紀90年代以來，高頻變換技術飛速地發(fā)展，不斷 涌現了新型電力電子器件，高智能化IC和新電路拓撲，創(chuàng)造出10年前意想不到的許多新型穩(wěn)壓電源?，F代電源技術正以空前的規(guī)模改造著傳統(tǒng)的舊式電器設備，廣泛進入了國民經濟和人類生活的各個領域。

l驅動電路的功能與特點

開關電源的形式與種類很多，盡管各種不同的開關電源能達到的性能指標也各不相同，但總是由以下幾個部分組成：

(1)控制單元

一般都是由專門的集成電路擔當這部分工作，也有用單片機、DPS作為控制單元核心的，視具體需要而定。

(2)功率元件

目前一般使用IGBT和MOSFET；一般高頻中小功率情況下用場效應管，大功率情況下用IGBT，其電路結構上大同小異，柵極高電平(一般是10～20 V，常用的是15 V)導通，低電平(－5～0 V)截止。其作用是開關電源的核心。

(3)驅動電路

這部分是開關電源的靈魂，是連接控制單元與功率管的橋梁?？刂茊卧鰜淼碾娖揭话銦o法直接驅動功率管，需要有一個電平的轉換及電流驅動；對于驅動電路而言，功率管的柵極即為負載，一般的功率管柵源之間有一個寄生電容，故驅動電路的負載是一個容性負載，若驅動電流不夠，或提高頻率，方波會產生畸變，無法達到設計目的。因此功率電子的驅動是整個設計的重點，也是難點。

開關穩(wěn)壓電源中的功率開關管要求在關斷時能迅速關斷，并能維持關斷期間的漏電流近似等于零；在導通時要求能迅速導通，并且維持導通期間的管壓降也近似等于 零。開關管趨于關斷時的下降時間和趨于導通時的上升時間的快慢是降低開關晶體管損耗功率，提高開關穩(wěn)壓電源效率的主要因素。要縮短這兩個時間，除選擇高反 壓、高速度、大功率開關管以外，主要還取決于加在開關管柵極的驅動信號。驅動波形的要求如下：

①驅動波形的正向邊緣一定要陡，幅度要大，以便減小開關管趨于導通時的上升時間；

②在維持導通期間內，要能保證開關管處在飽和導通狀態(tài)，以減小開關管的正向導通管壓降，從而降低導通期間開關管的集電極功率損耗；

③當正向驅動結束時，驅動幅度要減小，以便使開關管能很快地脫離飽和區(qū)，以減小關閉儲存時問；

④驅動波形的下降邊緣也一定要陡，幅度要大，以便減小開關管趨于截止時的下降時間。

2 IR2110柵極驅動抗干擾技術

IR2110是一種雙通道高壓、高速電壓型功率開關器件柵極驅動器，具有自居浮動電源，驅動電路十分簡單，只用一個電源可同時驅動上下橋臂。但是IR2110芯片有他本身的缺陷，不能產生負壓，在抗干擾方面比較薄弱，以下詳細結合實驗介紹抗干擾技術。

2．1 芯片功能簡介

IR2110包括：邏輯輸入、電平轉換、保護、上橋臂側輸出和下橋臂側輸出。邏輯輸入端采用施密特觸發(fā)電路，提高抗干擾能力。輸入邏輯電路與TTL／COMS 電平兼容，其輸入引腳閾值為電源電壓Vdd的10％，各通道相對獨立。由于邏輯信號均通過電平耦合電路連接到各自的通道上，允許邏輯電路參考地(VSS) 與功率電路參考地(COM)之間有－5 V～＋5 V的偏移量，并且能屏蔽小于50 ns脈沖，這樣便具有較理想的抗噪聲效果。兩個高壓MOS管推挽驅動器的最大灌入或輸出電流可達2 A，上橋臂通道可以承受500 V的電壓。輸入與輸出信號之間的傳導延時較小，開通傳導延時為120 ns，關斷傳導延時為95 ns。電源VCC典型值為15 V，邏輯電源和模擬電源共用一個15 V電源，邏輯地和模擬地接在一起。輸出端設有對功率電源VCC的欠壓保護，當小于8．2 V時，封鎖驅動輸出。

IR2110具有很多優(yōu)點：自舉懸浮驅動電源可同時驅動同一橋臂的上、下兩個開關器件，驅動500 V主電路系統(tǒng)，工作頻率高，可以達到500 kHz；具有電源欠壓保護相關斷邏輯；輸出用圖騰柱結構，驅動峰值電流為2 A；兩通道設有低壓延時封鎖(50 ns)。芯片還有一個封鎖兩路輸出的保護端SD，在SD輸入高電平時，兩路輸出均被封鎖。IR2110的優(yōu)點，給實際系統(tǒng)設計帶來了極大方便，特別是自舉 懸浮驅動電源大大簡化了驅動電源設計，只用一路電源即可完成上下橋臂兩個功率開關器件的驅動。IR2110的典型應用電路如圖2所示。

但是在這種電路的使用上存在很大的問題，當高壓側電壓緩慢地往上升時可以清楚地看見毛刺越來越嚴重，電壓很低時管子發(fā)熱嚴重，芯片很容易燒掉。這些問題都是由于2 11 0自身的一些不足產生的，IR2110不能產生負偏壓，如果用于驅動橋式電路，在半橋電感負載電路下運行，處于關斷狀態(tài)下的IGBT，由于其反并聯二極管的恢復過程，將承受C-E電壓的急劇上升。此靜態(tài)的dv／dt通常比IGBT關斷時的上升率高。由于密勒效應，此dv／dt在集電極，柵極問電容內產生電流，流向柵極驅動電路，如圖3所示。雖然在關斷狀態(tài)時柵極電壓Vg為零，由于柵極電路的阻抗(柵極限流電阻Rg，引線電感Lg)，該電流令VGE增加，趨向于VGE(th)。最嚴重的情況是該電壓達到閾值電壓，使IGBT導通，導致橋臂短路。IR2110驅動輸出阻抗不夠小，沿柵極的灌人電流會在驅動電壓上加上比較嚴重的毛刺干擾。

2．2 IR2110改進抗干擾電路

針對IR2110的不足，對輸出驅動電路進行了改進，可以采用在柵極限流電阻上反并聯一個二極管，但在大功率的環(huán)境下不太明顯。本文介紹的第一種方法就是 下面如圖4所示電路。在關斷期間將柵極驅動電平箝位到零電平。在橋臂上管開通期間驅動信號使Q1導通、Q2截止，正常驅動。上管關斷期間，Q1截止，Q2 柵極高電平，導通，將上管柵極電位拉到低電平(三極管的飽和壓降)。這樣，由于密勒效應產生的電流從Q2中流過，柵極驅動上的毛刺可以大大的減小。下管工作原理與上管完全相同，不再累述。

2．2．2 IR2110負壓產生電路

在大功率IGBT場合，各路驅動電源獨立，集成驅動芯片一般都有產生負壓得功能，如EXB841系列，M57957系列等，在IGBT關斷期間柵極上施加 一個負電壓，一般為－3～－5 V。其作用也是為了增強IGBT關斷的可靠性。防止由于密勒效應而造成的誤導通。IR2110芯片內部雖然沒有產生負壓功能，但可以通過外加幾個無源器件 來實現產生負壓得功能，如圖5所示。在上下管驅動電路中均加上由電容和5 V穩(wěn)壓管組成的負壓電路。

其工作原理為：電源電壓為20 V，在上電期間，電源通過Rg給Cg充電，Cg保持5 V的電壓，在LIN為高電平的時候，LO輸出0 V，此時S2柵極上的電壓為－5 V，從而實現了關斷時負壓。

對于上管S1，HIN為高電平時，HO輸出為20 V，加在柵極上的電壓為15 V。當HIN為低電平時，HO輸出0 V，S1柵極為－5 V。

IGBT為電壓型驅動器件，所以負壓負壓電容C5，C6上的電壓波動較小，維持在5 V，自舉電容上的電壓也維持在20 V左右，只在下管S2導通的瞬間有一個短暫的充電過程。

IGBT的導通壓降一般小于3 V，負壓電容C5的充電在S2導通時完成。對于C5，C6的選擇，要求大于IGBT柵極輸入寄生電容Ciss。自舉電容電電路中的二極管D1必須是快恢復二極管，應留有足夠的電流余量。此電路與一般的帶負壓驅動芯片產生負壓原理相同，直流母線上疊加了5 V的電壓。

2．2．3 IR2110結合隔離變壓器電路

上面2種方法已經得到了廣泛的應用，但是也有他的缺點，首先電路比最簡單的應用電路要復雜的多，其次所用的器件數目增多，成本增加，再次效果也并不是非常好，這主要是因為IR2110芯片本身很容易受到開關管的影響。

負載增大，電壓升高，IR2110的輸出波形就會變得很混亂，所以用常規(guī)的變壓器隔離和IR2110結合起來使用其電路圖如6所示，這種電路結合了經典電路的部分內容，大大地減小了負載對驅動的影響，可以用于大功率場合，電路也比較簡單，非常實用。

其工作原理為：電源電壓為20 V，在上電期間，電源通過Rg給Cg充電，Cg保持5 V的電壓，在LIN為高電平的時候，LO輸出0 V，此時S2柵極上的電壓為－5 V，從而實現了關斷時負壓。

對于上管S1，HIN為高電平時，HO輸出為20 V，加在柵極上的電壓為15 V。當HIN為低電平時，HO輸出0 V，S1柵極為－5 V。

IGBT為電壓型驅動器件，所以負壓負壓電容C5，C6上的電壓波動較小，維持在5 V，自舉電容上的電壓也維持在20 V左右，只在下管S2導通的瞬間有一個短暫的充電過程。

IGBT的導通壓降一般小于3 V，負壓電容C5的充電在S2導通時完成。對于C5，C6的選擇，要求大于IGBT柵極輸入寄生電容Ciss。自舉電容電電路中的二極管D1必須是快恢復 二極管，應留有足夠的電流余量。此電路與一般的帶負壓驅動芯片產生負壓原理相同，直流母線上疊加了5 V的電壓。

2．2．3 IR2110結合隔離變壓器電路

上面2種方法已經得到了廣泛的應用，但是也有他的缺點，首先電路比最簡單的應用電路要復雜的多，其次所用的器件數目增多，成本增加，再次效果也并不是非常好，這主要是因為IR2110芯片本身很容易受到開關管的影響。

負載增大，電壓升高，IR2110的輸出波形就會變得很混亂，所以用常規(guī)的變壓器隔離和IR2110結合起來使用其電路圖如6所示，這種電路結合了經典電路的部分內容，大大地減小了負載對驅動的影響，可以用于大功率場合，電路也比較簡單，非常實用。

3 結 語

各種各樣的IGBT驅動電路都有他們的優(yōu)點和缺點，IR2110具有輕型、占用資源少、高可靠性、成本低廉等優(yōu)點而被廣泛采用。本文所提供的幾種抗干擾措 施也應該根據具體情況進行分析，當然根據具體電路的不同應該按照實際情況選擇電路，傳統(tǒng)的驅動電路也有他的優(yōu)點，光電耦合器也可以廣泛使用。

本文所提供的幾種抗干擾措施也應該根據具體情況進行分析，當然根據具體電路的不同應該按照實際情況選擇電路，傳統(tǒng)的驅動電路也有他優(yōu)點，光電藕合器也可以廣泛使用。