含變阻結(jié)構(gòu)的線性光耦隔離MOSFET/IGBT高速驅(qū)動(dòng)

劉俊靈，付　星，孫浩巍，王天一

(成都信息工程大學(xué) 控制工程學(xué)院，四川 成都 610225)

0　引　言

一般的對(duì)于電力電子器件而言，都需要具備滿足一定條件的驅(qū)動(dòng)電路來連接微處理器與電力電子器件。驅(qū)動(dòng)電路的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。這就要求驅(qū)動(dòng)電路具有較快響應(yīng)速度、較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力,并且功耗不能太高。隨著功率密度增加,開關(guān)管的開關(guān)頻率提高,對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的響應(yīng)速度和驅(qū)動(dòng)能力的要求也隨之提高[1]。由于電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的需要(如全橋電路)和提高電路抗干擾能力的要求,在功率主回路和控制電路之間需要實(shí)現(xiàn)電隔離。隔離環(huán)節(jié)的性能直接影響功率器件的工作和整個(gè)電路系統(tǒng)的抗干擾能力[2]。

在隔離驅(qū)動(dòng)電路中采用光耦隔離是目前較領(lǐng)先的技術(shù)方式。目前MOSFET/IGBT光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路主要有集成驅(qū)動(dòng)與采用分離元件兩種方式。集成的光耦驅(qū)動(dòng)電路目前工作頻率能到100 kHz左右，如果驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率再進(jìn)一步提高，則輸出波形發(fā)生畸變，使電力電子系統(tǒng)不能正常工作。而采用分離元件構(gòu)成的光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路，其關(guān)鍵元件光耦合器如果采用開關(guān)型光耦，高頻的開關(guān)型光耦的工作頻率可以達(dá)到幾MHz，能滿足頻率要求，但是工作電壓一般為5 V，因此電平不兼容，不能驅(qū)動(dòng)12 V及以上的MOSFET/IGBT電力電子器件。如果采用能工作在12 V及以上的線性光耦，其工作頻率一般在幾十kHz，滿足不了高頻率的要求。采用光耦隔離可以很好地實(shí)現(xiàn)高頻信號(hào)隔離，具有較低的輸入輸出電容，隔離效果好，可以有效的消除電路中產(chǎn)生的EMI，沒有輻射也不易受周圍電磁場(chǎng)的干擾[3]。但是光耦的開關(guān)速度較慢,對(duì)驅(qū)動(dòng)脈沖的前后沿產(chǎn)生較大延時(shí),影響系統(tǒng)的控制精度[4]。所以問題的核心在于滿足驅(qū)動(dòng)電平要求的條件下，提高隔離光耦的工作頻率。

為了改善目前電力電子器件高速工作與光耦隔離驅(qū)動(dòng)速度不高兩者之間的矛盾，本文在采用分離元件的前提下，對(duì)如何提高核心器件線性光耦隔離器的工作頻率的問題做了研究。

1　光耦隔離的常用電路

一般驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離所使用的四腳線性光耦，其常見的電路使用方法如圖1所示，其中R1、R2為限流電阻，R3為光耦集電極電阻，Uo為光耦輸出信號(hào)。

圖1　線性四腳光耦常用隔離電路

根據(jù)圖1所示電路，光耦集電極電阻的不同值，以SFH610A-2四腳線性光耦為例，在實(shí)驗(yàn)室條件下當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率為43.2 kHz時(shí)，測(cè)得Uo的輸出數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　光耦在集電極電阻值不同情況下的輸出參數(shù)

由表1中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)光耦集電極電阻值小于2 kΩ時(shí)，此時(shí)光耦不能完全開通；當(dāng)光耦集電極電阻大于6 kΩ時(shí)，此時(shí)光耦不能完全關(guān)斷。所以在以上兩個(gè)電阻區(qū)間，光耦的輸出信號(hào)不利于作為工程使用的參數(shù)。本文主要分析在2～6 kΩ之間的阻值光耦的輸出特性。

當(dāng)光耦集電極電阻阻值在2～6 kΩ之間時(shí)，由表中數(shù)據(jù)可得到光耦的輸出信號(hào)在單位電壓變化所需要的時(shí)間，分別如圖2和如圖3所示。

圖2　單位電壓上升所需時(shí)間

圖3　單位電壓下降所需時(shí)間

由于光耦的電流傳輸比的限制，導(dǎo)致其集電極的輸出信號(hào)電壓的幅值，受到集電極電阻的影響較大。當(dāng)集電極電阻過小，就會(huì)導(dǎo)致輸出電壓的幅值擺幅過小，并且會(huì)導(dǎo)致集電極輸出電壓下降沿變緩，從而不能產(chǎn)生有效的MOSFET/IGBT門極控制信號(hào)。但是當(dāng)集電極電阻值越大，由于光耦自身分布電容的存在，集電極輸出電壓上升沿變緩，光耦的頻率特性就越差，傳輸時(shí)延也就越長(zhǎng)。

所以一般在低頻下使用光耦隔離，集電極電阻可以找到一個(gè)合適的阻值，能同時(shí)兼顧輸出電壓幅值與傳輸頻率，但是在高頻下，一個(gè)固定的電阻值無法保證輸出電壓的波形質(zhì)量。

2　對(duì)線性光耦的輸出特性分析與輸出電路改進(jìn)

針對(duì)由四腳線性光耦構(gòu)成的集電極電阻為固定值的傳統(tǒng)隔離驅(qū)動(dòng)電路不能用于高頻驅(qū)動(dòng)的情況，結(jié)合前文實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)得的光耦上升/下降沿與其集電極電阻阻值的關(guān)系，需要設(shè)計(jì)一種集電極電阻阻值在光耦開關(guān)過程中變化的變阻值電路。

當(dāng)線性光耦工作在開關(guān)方式時(shí)，從線性光耦集電極和射極間電壓上升(圖2)和下降特性(圖3)看，線性光耦的集電極和射極相當(dāng)于一個(gè)受控可變電阻和一個(gè)等效電容的并聯(lián)，線性光耦的集電極和射極間的輸出電壓相當(dāng)于等效電容上的電壓。受控可變電阻的阻值受線性光耦中發(fā)光二極管控制，當(dāng)發(fā)光二極管通過電流時(shí)，受控可變電阻阻值變??；當(dāng)發(fā)光二極管沒有電流時(shí)，受控可變電阻阻值變大。如果保持線性光耦的集電極或射極上串聯(lián)電阻的大小不變，當(dāng)受控可變電阻阻值變小時(shí)，等效電容放電速度快于充電速度，等效電容電壓下降；當(dāng)受控可變電阻阻值變大時(shí)，等效電容放電速度慢于充電速度，等效電容電壓上升。所以，等效電容上電壓的升降以及升降的速度受等效電容充電效應(yīng)和放電效應(yīng)的共同影響，放電效應(yīng)由受控可變電阻決定，而充電效應(yīng)由線性光耦的集電極或射極上串聯(lián)電阻決定。

由圖2與圖3可知，在線性光耦的發(fā)光二極管施加方波電流時(shí)，線性光耦的集電極或射極上串聯(lián)的電阻越大，線性光耦的集電極和射極間的電壓下降沿的時(shí)間越短，而上升沿的時(shí)間越長(zhǎng)；反過來，如果線性光耦的集電極或射極上串聯(lián)的電阻越小，線性光耦的集電極和射極間的電壓下降沿的時(shí)間越長(zhǎng)，而上升沿的時(shí)間越短。所以可以構(gòu)造一種變阻結(jié)構(gòu)，使得變阻結(jié)構(gòu)阻值在光耦開通時(shí)變大，在光耦關(guān)斷時(shí)阻值變小，從而改善光耦的頻率響應(yīng)。

圖4　變阻結(jié)構(gòu)做光耦集電極的光耦隔離電路

在圖4所示四腳線性光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路中，由R3、Q1、C1三個(gè)元器件可以構(gòu)成變阻結(jié)構(gòu)支路。當(dāng)光耦關(guān)斷時(shí)，三極管導(dǎo)通，此時(shí)變阻結(jié)構(gòu)的等效電阻主要由PNP三極管Q1導(dǎo)通后的集射極電阻決定，三極管導(dǎo)通后電阻值很小，從而加速光耦集射極電壓的上升；當(dāng)光耦開通時(shí)，三極管截止，三極管截止后電阻值很大，此時(shí)變阻結(jié)構(gòu)的等效電阻主要由電阻R3決定，此時(shí)等效電阻變大，從而加速光耦集射極電壓的下降。由圖4變阻結(jié)構(gòu)的光耦集電極輸出的電壓波形如圖5所示。

圖5　光耦集電極采用變阻結(jié)構(gòu)輸出的實(shí)測(cè)波形

由表1中數(shù)據(jù)可得，在電阻值為3 kΩ時(shí)，光耦能完全開通關(guān)斷，單位電壓上升時(shí)間為0.540 μs/V，單位電壓下降時(shí)間為0.496 μs/V。把光耦集電極電阻設(shè)計(jì)為可變電阻值的變阻結(jié)構(gòu)之后，在實(shí)驗(yàn)室條件下，測(cè)得光耦輸出的波形如圖5所示，改善之后的單位電壓上升時(shí)間為0.093 μs/V，單位電壓下降時(shí)間為0.376 μs/V。對(duì)比可知，單位電壓上升時(shí)間比原來減少了82.8%，單位電壓下降時(shí)間比原來減少了24.2%。

常見線性光耦的光敏三極管的響應(yīng)速度是微秒級(jí)，屬于光耦固有的響應(yīng)時(shí)間，一般很難改變。經(jīng)過變阻結(jié)構(gòu)做為線性光耦的集電極上拉電阻后，從改變外部驅(qū)動(dòng)電流的角度，加快了光耦輸出信號(hào)的上升/下降沿的變化速度，從而改善了光敏三極管的響應(yīng)速度，而這正是線性光耦作為高速驅(qū)動(dòng)中的瓶頸。如圖5所示，線性光耦輸出較好的信號(hào)波形，還并不能直接驅(qū)動(dòng)MOSFET/IGBT，所以一般在之后再加上一級(jí)放大電路，最后經(jīng)過推挽電路輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，信號(hào)的上升/下降沿只需數(shù)百納秒，如此便能實(shí)現(xiàn)高速驅(qū)動(dòng)MOSFET/IGBT。

3　含有變阻結(jié)構(gòu)的光耦隔離MOSFET/IGBT高速驅(qū)動(dòng)應(yīng)用實(shí)例

如圖6所示，使用含有變阻結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的光耦隔離MOSFET/IGBT高速驅(qū)動(dòng)，其中電阻R4、電容C2和PNP型三極管Q2組成動(dòng)態(tài)電壓比較器。動(dòng)態(tài)電壓比較器中有加速電容C2的存在，因?yàn)殡娙輧啥穗妷翰荒芡蛔?，?dāng)光耦輸出信號(hào)變化的開始階段，那么電容C2相當(dāng)于短路，此時(shí)能給三極管基極提供瞬間的大電流，使三極管在光耦輸出信號(hào)的拐點(diǎn)處便提早開通或者關(guān)斷。由于光耦相對(duì)三極管開通關(guān)斷的速度緩變的特性，缺少加速電容會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸過程中發(fā)生占空比畸變，導(dǎo)致信號(hào)的占空比丟失或者增加。動(dòng)態(tài)電壓比較器既能在線性光耦輸出信號(hào)由高電平變低電平的起始階段檢測(cè)到信號(hào)的變化，也能在線性光耦輸出信號(hào)由低電平變高電平的起始階段檢測(cè)到信號(hào)的變化。這樣，無論是在檢測(cè)線性光耦輸出信號(hào)由低電平變高電平時(shí)，還是在檢測(cè)線性光耦輸出信號(hào)由高電平變低電平時(shí)，都幾乎沒有延時(shí)，從而避免了信號(hào)傳輸過程中的占空比畸變。

圖6　含變阻結(jié)構(gòu)的光耦隔離高速驅(qū)動(dòng)實(shí)例

圖7為高速驅(qū)動(dòng)電路實(shí)測(cè)輸出波形，MOSFET門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)上升時(shí)間為250 ns，下降時(shí)間小于150 ns，實(shí)測(cè)波形表明，該驅(qū)動(dòng)電路在滿足線性光耦隔離條件下，高速驅(qū)動(dòng)效果良好。

圖7　驅(qū)動(dòng)實(shí)測(cè)的MOSFET門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)

4　結(jié)　論

本文設(shè)計(jì)了一種基于四腳線性光耦的新型高速率驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)，改善光耦的開關(guān)頻率特性，利用特殊的能改變電阻值的電路結(jié)構(gòu)來提高光耦的開通與關(guān)斷的速率，從而緩解因光耦的開關(guān)頻率給整個(gè)MOSFET/IGBT驅(qū)動(dòng)帶來的頻率限制。在實(shí)現(xiàn)高速驅(qū)動(dòng)的前提下，整個(gè)驅(qū)動(dòng)器能有效地完成電平兼容，并且隔絕了MOSFET/IGBT的開關(guān)噪聲對(duì)微控制器端的影響。整個(gè)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，能夠有效運(yùn)用于PWM控制中。但是對(duì)于變阻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)并不僅限于此，例如在變阻結(jié)構(gòu)中，對(duì)變阻結(jié)構(gòu)中PNP三極管引入正反饋就是未來的一個(gè)改進(jìn)方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]史凌峰, 王慶斌, 許文丹. 用于APFC的低功耗MOSFET驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[J]. 西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011, 38 (1) :54-58.

[2]王正仕,陳輝明.無傳輸時(shí)延的調(diào)制型功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路[J].電氣自動(dòng)化,1999, (4): 61-66.

[3]陳建萍.一種基于IR2113的隔離型MOSFET驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[J].贛南師范學(xué)院學(xué)報(bào), 2011, (3): 57-59.

[4]周晨松，沈頌華. UC3724/UC3725 功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路芯片組的應(yīng)用[J].沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào), 2001, 18(1): 43-45.