基于IR2130的MOSFET驱动电路设计

张加岭，李善波，侯颖钊，赵 杰，张 宁，苗 飞

（国网徐州供电公司，江苏徐州221000）

1 引言

电力电子装置的小型化对功率开关器件的工作频率提出了越来越高的要求，各种全控型功率器件相继出现，已经在开关变换器中得到了广泛应用。MOSFET是一种单极性器件，没有少数载流子的存储效应，工作频率可达几十kHz至MHz，具有驱动功率小、功率容量大等优点。应用在逆变器上的MOSFET能比其他功率元件提供更好效益，其中包括高载流能力，并能与逆并联二极管配合使用。本文提出了一种工作频率为16kHz且具有较强负载驱动能力和抗干扰能力的MOSFET隔离性驱动电路[1]。

2 MOSFET工作原理

金属－氧化层半导体场效晶体管，简称金氧半场效晶体管（Metal－Oxide－Semiconductor Field－Effect Transistor，MOSFET）是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。MOSFET根据其“通道”极性的不同分为“N型”和“P型”两大类。MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的第一个显著特点是驱动电路简单，需要的驱动功率小。其第二个显著特点是开关速度快，工作频率高。

图1 平面N沟道增强型MOSFET

要使增强型N沟道MOSFET工作，需在 G、S之间加正电压 VGS，在D、S之间加正电压VDS，则可产生正向工作电流ID。改变VGS的电压可控制工作电流ID。若先不接VGS（即VGS＝0），在D与S极之间加一正电压VDS，则漏极D与衬底之间的PN结处于反向，漏源之间不能导电。如果在栅极G与源极S之间加一电压VGS，则可将栅极与衬底看作是电容器的两个极板，而氧化物绝缘层则看作为电容器的介质。当加上VGS时，在绝缘层和栅极界面上可感应出正电荷，而在绝缘层和P型衬底界面上可感应出负电荷（如图2所示）。这层感应的负电荷和P型衬底中的多数载流子（空穴）的极性相反，所以称为“反型层”，这反型层有可能将漏与源的两N型区连接起来形成导电沟道。

图2 增强型MOSFET导通原理

3 MOSFET驱动电路

MOSFET对驱动电路的要求为：①栅极电压必须高于母线电压10V～15V，而且栅极电压可能是系统中的最高电压；②栅极的驱动电压应随源极电位的变化而对地浮动；③驱动电路吸收的功率很小，对系统总效率的影响几乎可以忽略不计[2]。下面是几种常用的MOSFET驱动电路[3]：

（1）栅－源浮动电源驱动（如图3a所示）：每个MOSFET高压侧需要一个隔离电源，电平转换电路错综复杂；

（2）变压器隔离驱动（如图3b所示）：虽然简单便宜，但用于宽占空比范围时技术复杂，且在频率下降时变压器尺寸显著增加；

（3）自举驱动（如图3c所示）：虽简单便宜，但具有与图3b类似的限制，即占空比和开通时间都受自举电容刷新的限制；

（4）电荷泵电路构成MOSFET驱动电路（如图3d所示）：功率管可以得到很好的开关波形，同时电路具有结构简单、成本低、易实现等优点。

图3 几种常用的MOSFET驱动电路

4 基于IR2130的MOSFET驱动电路

IR公司推出的六输出高压栅极驱动器IR2130，其为28脚双列直插芯片。该电路基于自举驱动方法，驱动信号延时为ns级，开关频率可从数十赫兹至数百千赫。IR2130具有六路输入信号和六路输出信号，其中六路输出信号中的三路具有电平转换功能，可直接驱动高压侧的功率器件。该驱动器可与主电路共地运行，且只需一路控制电源，克服了常规驱动器需要多路隔离电源的缺点，大大简化了硬件设计。

IR2130有六个输出驱动器，其信号取自三个输人信号发生器，每个发生器提供两个输出。三个低侧的驱动信号直接取自信号发生器Ll、L2、L3，而高侧驱动信号Hl、H2、H3则必须通过电平转换方能用于高侧输出驱动器[3]。

4.1 输入逻辑控制

六个输人中任何一个为逻辑低电平时，相应的输出将为高电平，真值表如表1所示。

表1 IR2130输入输出真值表

4.2 IR2130的自举电路[4]

IR2130除集成了一个全桥的驱动器以及各种保护功能外，最主要的技术是对自举技术的巧妙应用。如图4所示，Vbs（驱动电路Vb与Vs管脚之间的电压差）给功率主电路上桥臂提供电源。

自举电源主要由二极管和电容组成，电路工作原理如下：当Vs通过下端器件被拉到地电位时，15V的VCC电源通过自举二极管（Dbs）给自举电容（Cbs）充电，因此Vb与Vs之间产生一个接近于VCC的电势差；当Vdc导通后，Vs的电压变成主电路的电源电压，由于自举二极管的单向导通性，Vbs的电压基本维持不变，但Vb相对于功率地的电平却变成了Vdc＋Vbs，这就是“自举”名称的由来。显然，Vbs为上桥臂驱动提供了一个悬浮电源。IR2130集成芯片同时提供了Vbs的欠压保护，当Vbs电压下降到8.35V以下时，将关闭高端驱动输出，从而保证了CMOS管不会在高功耗下工作。下面就自举电容和自举二极管的选择做一些分析。

图4 IR2130的自举电路

首先要指出的是，以下五个方面会影响自举电源的工作：

a.驱动高压侧功率器件所需要的电荷；

b.高端驱动电路静态电流的大小；

c.驱动IR2130中电平转换电路的电流大小；

d.CMOS管栅源漏电流大小；

e.自举电容的漏电流（仅当自举电容为电解电容时考虑）。

依据上述因素可得自举电容应该提供的最小电荷要求：

其中，Qgs—高端功率器件栅极电荷；f—功率器件的工作频率；Icbs（leak）—自举电容的漏电流；Iqbs（max）—高压侧驱动部分的静态电流；QIs—每个周期内IR2130内部电平转换所需的电荷量。自举电容必须能够提供这些电荷，并且保持其电压基本不变。否则，Vbs将会有很大的电压纹波，并且可能低于欠压值 VVSUV（8.35），使高端无输出并停止工作。因此，Cbs电容的电荷应该至少是最小电荷的2倍。最小电容值可以由下式计算得出：

其中，Vf—自举二极管正向压降，Vis—低端器件压降。由上式计算得到的数值仅仅是自举电容的最小容值，考虑到工作的可靠性，自举电容的实际容值一般都选为最小容值的15倍以上。

在实际电路设计时还应当注意，低压侧功率器件的开通时间（或高压侧器件的关断时间）有一个最小的要求。

下面讨论一下自举二极管的选择问题。在高压侧器件导通时，自举二极管必须能够阻止母线的高电压，并且应该用快恢复二极管，以减小从自举电容向电源VCC的回馈电荷。如果电容需要长期贮存电荷时，高温反向漏电流指标也很重要。

综上所述，可得自举二极管DBS的指标如下：

二极管的反向电压：

二极管反向恢复时间：trr＞100ns

最大正向电流：IF＞QBS×f

由此可以得到如图5所示的驱动电路图。

4.3 故障逻辑

ITRIP是过流保护的逻辑输入信号，该信号来自于由内部放大器、外部电阻、电位器构成的比较电路，电流比较输出与电源欠压监测电路接入封锁逻辑电路。一旦信号高电平有效，则封锁6个输出通道，同时送出一个故障信号给外部电路，实现在过流或欠压情况下通过封锁驱动输出信号来达到保护IGBT的目的。

图5 IR2130控制的MOSFET驱动电路

4.4 电流信号放大器

IR2130提供了一个信号放大器，以使三相逆变桥直流电源返回支路中的电流可以被检测到。检测电阻R所检出的电压（0～0.5V）可由电流放大器放大为0～5V的模拟信号并从CAO输出，用于外部控制电路。

5 实验结果及分析

实验结果波形图如图6所示。

从图中可以看出，图 6（a）、图 6（b）、图 6（c）、图6（d）、图 6（e）、图 6（f）分别为三相逆变电路的 A 相上、B相上、C相上、A相下、B相下、C相下输入输出的桥臂驱动信号。驱动信号已经适用于16kHz的高频驱动，说明IR2130的驱动可行。实验结果表明三相逆变电路MOSFET驱动电路已经可以正常工作，且同一桥臂的两个MOSFET驱动电路可以比较精确地进行同步。

图6 实验结果波形图

6 结束语

本文所设计的采用IR2130驱动芯片的MOSFET驱动电路工作稳定可靠，可满足快速高效、电气隔离、较强驱动能力、较强抗干扰能力等要求。该MOSFET驱动电路目前已成功应用于一台逆变器样机中，且经长时间运行和监测，其工作性能稳定可靠。可见，采用了IR2130的MOSFET驱动电路能够很好地满足工况需求。