楊德榮 劉彥榮

（天津航天鑫茂稀土機(jī)電科技有限公司，天津 300384）

IGBT是一種典型的復(fù)合型功率器件，它既具有功率MOSFET的高速開(kāi)關(guān)及電壓驅(qū)動(dòng)特性，又具有雙極型晶體管的低飽和壓降及易實(shí)現(xiàn)大電流的能力，所需驅(qū)動(dòng)功率小，控制電路簡(jiǎn)單，且具有較大的安全工作區(qū)和短路承受能力。因此，在電力電子系統(tǒng)中，IGBT逐漸取代 MOSFET及雙極型晶體管而成為功率開(kāi)關(guān)元件中的重要一員。IGBT的驅(qū)動(dòng)保護(hù)技術(shù)直接關(guān)系到系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定和安全，理想的驅(qū)動(dòng)電路不但要提供IGBT所需的驅(qū)動(dòng)功率，而且要控制開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)在異常工作狀態(tài)下具有保護(hù)IGBT的能力。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中幾種常用的方式各有其特點(diǎn)，但均需正負(fù)電源供電，目的是使用負(fù)偏置柵電壓來(lái)可靠地關(guān)斷和封鎖功率開(kāi)關(guān)，對(duì)于采用全橋控制的無(wú)刷電機(jī)控制器，需要設(shè)計(jì)4路相互隔離正負(fù)驅(qū)動(dòng)電源，這就帶來(lái)設(shè)計(jì)調(diào)試復(fù)雜化、成本增加因而產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力降低的問(wèn)題?；诖?，我們?cè)诘凸β?、小電流?yīng)用場(chǎng)合的無(wú)刷電機(jī)控制器產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，采用單電源驅(qū)動(dòng)技術(shù)，針對(duì)單電源驅(qū)動(dòng)存在0V時(shí)無(wú)法可靠關(guān)斷的問(wèn)題，做了具體分析，并采取了相應(yīng)的解決措施。

1 正負(fù)電源雙極性驅(qū)動(dòng)方式概述

常用的IGBT驅(qū)動(dòng)方式包括以下幾種：

1）分立元件構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路

早期出現(xiàn)的 IGBT驅(qū)動(dòng)方式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高，已逐漸被淘汰。

2）光耦驅(qū)動(dòng)電路

光耦驅(qū)動(dòng)電路具有線路簡(jiǎn)單、性能優(yōu)越的特點(diǎn)，在電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。常用的驅(qū)動(dòng)光耦有東芝的TLP系列，夏普的PC系列,惠普的HCPL系列等。

3）專用驅(qū)動(dòng)模塊

包括厚膜驅(qū)動(dòng)電路和集成驅(qū)動(dòng)模塊。

厚膜驅(qū)動(dòng)電路將驅(qū)動(dòng)部分的元器件集成到一片陶瓷基片上，同時(shí)具備驅(qū)動(dòng)和保護(hù)功能，工作可靠穩(wěn)定、使用靈活方便，在中、大功率的逆變器產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛。集成驅(qū)動(dòng)模塊具有更高的集成度和豐富的功能，是一種集驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)、保護(hù)甚至電源功能于一體的即用型 IGBT門級(jí)驅(qū)動(dòng)模塊，它的應(yīng)用提高了整機(jī)的可靠性，簡(jiǎn)化了 IGBT的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，但價(jià)格較高，常用于高端場(chǎng)合，Concept公司的Scale系列即屬此類。

無(wú)論采用上述何種 IGBT驅(qū)動(dòng)方式，通常都要求正負(fù)電源雙極性供電，原因在于 IGBT不同于MOSFET，其輸入電容較大，關(guān)斷 IGBT時(shí)，要施加負(fù)偏置柵電壓，且其負(fù)偏電壓要大于MOSFET，通常在-5～-10V范圍內(nèi)，其作用是盡快吸取IGBT器件分布電容內(nèi)的存儲(chǔ)電荷，縮短關(guān)斷時(shí)間，提高IGBT的耐壓和抗干擾能力。

2 單電源驅(qū)動(dòng)方式分析

雖然正負(fù)雙極性電源驅(qū)動(dòng)被普遍采用，但單電源驅(qū)動(dòng)使4路隔離驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)、調(diào)試簡(jiǎn)化，降低了產(chǎn)品成本，在大量的中小功率驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

IGBT的單電源驅(qū)動(dòng)是指在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中只提供正電源，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為正電壓時(shí)，開(kāi)啟IGBT；驅(qū)動(dòng)信號(hào)為0V時(shí)，關(guān)斷IGBT。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于器件分布參數(shù)的存在，使得單電源驅(qū)動(dòng)存在0V時(shí)可能無(wú)法關(guān)斷的問(wèn)題，即當(dāng)門極驅(qū)動(dòng)切換至 0V時(shí)欲使 IGBT關(guān)斷時(shí)，可能出現(xiàn)兩種錯(cuò)誤狀態(tài)：由于米勒電容意外開(kāi)啟，由于雜散電感意外開(kāi)啟。以下具體分析此刻IGBT的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

1）IGBT由于米勒電容意外開(kāi)啟

在橋式電路中，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)開(kāi)啟 IGBT下橋臂時(shí)，上橋臂二極管兩端的電壓將發(fā)生變化，表示為而可以導(dǎo)致產(chǎn)生瞬時(shí)電流

并給 IGBT上橋臂的寄生電容充電。寄生電容CCG和 CGE會(huì)對(duì)電壓產(chǎn)生分壓作用。圖 1表示出流過(guò)IGBT上橋臂米勒電容的電流流向。

圖1 經(jīng)過(guò)IGBT上橋臂米勒電容的電流流向

電流iCG流過(guò)米勒電容、門極串聯(lián)電阻以及直流母線。當(dāng)門極驅(qū)動(dòng)電阻上的壓降超過(guò)IGBT開(kāi)啟閾值電壓時(shí)，會(huì)導(dǎo)致意外開(kāi)啟。而且芯片溫度每升高1K，閾值電壓便會(huì)有幾mV的下降。IGBT上橋臂進(jìn)行開(kāi)關(guān)切換時(shí)，電流流過(guò)下橋臂米勒電容，同樣可能導(dǎo)致下橋臂IGBT意外開(kāi)啟。

2）IGBT由于雜散電感開(kāi)啟

當(dāng)關(guān)斷負(fù)載電流時(shí)，IGBT發(fā)射極雜散電感將感應(yīng)出電壓，如圖2所示。

圖2 發(fā)射極電感產(chǎn)生的感應(yīng)電壓

在IGBT-T2關(guān)斷、IGBT-T1導(dǎo)通后，主電流不再流過(guò)續(xù)流二極管D2，而是流過(guò)其它橋壁的IGBT。二極管的反向恢復(fù)電流的變化產(chǎn)生了diC2/dt，這樣在IGBT-T2的雜散電感 LσE2兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓，此電壓導(dǎo)致T2發(fā)射極的電勢(shì)變?yōu)樨?fù)。如果diC/dt較大，產(chǎn)生的感應(yīng)電壓就會(huì)高于IGBT的閾值電壓，T2將被意外開(kāi)啟。

3 改進(jìn)后的單電源驅(qū)動(dòng)方式保證IGBT可靠關(guān)斷

通過(guò)電路分析，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為0V時(shí)，IGBT存在意外開(kāi)啟的可能，為此，可以采取以下幾種措施防止意外開(kāi)啟發(fā)生。

3.1 改變門極驅(qū)動(dòng)電阻

IGBT開(kāi)啟過(guò)程中，電壓變化率-dvCE/dt和電流變化率diC/dt的大小都受到門極驅(qū)動(dòng)電阻RGon的影響，加大門極驅(qū)動(dòng)電阻，會(huì)使電壓變化率及電流變化率變小，IGBT開(kāi)關(guān)速度變慢。

減小 RGoff阻值可以防止由于米勒電容引起的意外開(kāi)啟，而加大 RGoff阻值可以防止由于雜散電感引起的意外開(kāi)啟，在實(shí)際工程應(yīng)用中可以根據(jù)具體情況權(quán)衡考慮，確定合適的門極驅(qū)動(dòng)電阻。

3.2 設(shè)置兩個(gè)門極驅(qū)動(dòng)電阻分別實(shí)現(xiàn)IGBT的開(kāi)啟和關(guān)斷

在工程應(yīng)用中，使用分離的開(kāi)啟電阻和關(guān)斷電阻，可以實(shí)現(xiàn)較為理想的開(kāi)關(guān)特性。

圖3 分離開(kāi)啟電阻和關(guān)斷電阻

選取 RGoff＜RGon，則可以防止由米勒電容導(dǎo)致的IGBT意外開(kāi)啟。

3.3 在門極與發(fā)射極間增加電容以阻止米勒電流

雖然門極與發(fā)射極間附加電容CG會(huì)影響IGBT的開(kāi)關(guān)切換過(guò)程，但該電容可以吸收米勒電容釋放出來(lái)的額外的電荷。這時(shí)IGBT門極的總輸入電容為CG||CGE，門極電壓要達(dá)到開(kāi)啟閾值電壓，就需要更多的電荷量。

在某些工程應(yīng)用場(chǎng)合，若IGBT模塊內(nèi)部門極電阻過(guò)小，為了防止振蕩，則可以給電容串聯(lián)一個(gè)附加電阻 RS，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)附加電容和附加電阻的取值參考下面計(jì)算式：

圖4 柵極與發(fā)射極間附加電容

由于附加電容的存在，使得要求的驅(qū)動(dòng)功率增加，同時(shí)依據(jù)RGon/off取值的不同，IGBT會(huì)有較大的開(kāi)關(guān)損耗。

3.4 用晶體管電路阻止米勒電流（有源米勒鉗位）

防止 IGBT意外開(kāi)啟的另外一種方法是將門極與發(fā)射極短路，可以通過(guò)在門極與發(fā)射極間附加晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。

在門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)切換到0V且經(jīng)過(guò)一段延時(shí)時(shí)間后，晶體管 T導(dǎo)通將門極與發(fā)射極短接。肖特基二極管D可以阻止電流從米勒電容流回至門極電阻。

通過(guò)設(shè)計(jì)晶體管電路，在關(guān)斷 IGBT時(shí)短接門極與發(fā)射極，設(shè)計(jì)者以一種可控的方式阻止由米勒電容所產(chǎn)生的電流，從而保證了 IGBT在驅(qū)動(dòng)信號(hào)為0V時(shí)可靠關(guān)斷。

4 在小功率無(wú)刷直流控制器設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)單電源驅(qū)動(dòng)

在5.5kW無(wú)刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)中，選用了英飛凌公司的IGBT功率模塊FP50R060KE3，其內(nèi)部集成了全橋整流電路和逆變橋6只IGBT開(kāi)關(guān)管，為了實(shí)現(xiàn)控制器整體的集成化，簡(jiǎn)化4路隔離驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)，我們采用了有源米勒鉗位的單電源驅(qū)動(dòng)方式，選用了TLP350作為驅(qū)動(dòng)光藕（見(jiàn)圖6）?？傮w來(lái)看，該設(shè)計(jì)方案驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，由一個(gè)開(kāi)關(guān)電源電路輸出4路隔離驅(qū)動(dòng)單電源，進(jìn)行集中式供電，功率驅(qū)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、工作可靠的設(shè)計(jì)理念。

圖6 小功率無(wú)刷直流控制器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

5 結(jié)論

在小功率IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，單極性電源驅(qū)動(dòng)方式具有簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、降低成本的優(yōu)勢(shì)，但也存在可能意外開(kāi)啟的缺點(diǎn)。針對(duì)這一問(wèn)題，本文介紹了幾種解決方案，這些方法簡(jiǎn)單易行，通過(guò)適當(dāng)匹配參數(shù)，可以有效地改善IGBT的開(kāi)關(guān)特性，特別是有源米勒鉗位電路，可以根據(jù)IGBT的特性優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，具有較高的可靠性。

[1]孫佃升,白連平.一種基于EXB841的IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路設(shè)計(jì)[J].微電機(jī),2007,40(4):98-100.

[2]田穎,陳培紅,聶圣芳.功率MOSFET驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].電力電子技術(shù),2005,39(1):73-74.

[3]張景超,趙善麒,劉利峰,王曉寶.絕緣柵雙極晶體管的設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].電力電子技術(shù),2010(1):1-3.

[4]周志敏,周紀(jì)海,紀(jì)愛(ài)華. IGBT和IPM及其應(yīng)用電路[M].北京:人民郵電出版社,2006.

[5]趙良炳. 現(xiàn)代電力電子技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.