羅 斌，周 紅

（1.博世力士樂(lè)西安電子傳動(dòng)與控制有限公司，陜西西安710026；2.艾默生網(wǎng)絡(luò)能源西安有限責(zé)任公司，陜西西安710075）

一種改進(jìn)的單極性IGBT驅(qū)動(dòng)電路

羅 斌1，周 紅2

（1.博世力士樂(lè)西安電子傳動(dòng)與控制有限公司，陜西西安710026；2.艾默生網(wǎng)絡(luò)能源西安有限責(zé)任公司，陜西西安710075）

單極性IGBT驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，卻存在換流時(shí)射極產(chǎn)生負(fù)壓引起振蕩以及米勒效應(yīng)引起二次開(kāi)通等問(wèn)題，針對(duì)以上問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種基于單極性電源供電的IGBT驅(qū)動(dòng)電源和門極驅(qū)動(dòng)控制電路。采用自舉電路給上橋臂驅(qū)動(dòng)供電，通過(guò)有源箝位及自舉限流等方法來(lái)解決換流時(shí)IGBT射極的負(fù)壓?jiǎn)栴}，采用三極管來(lái)分流米勒電流，解決米勒效應(yīng)引起的的二次誤開(kāi)通問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的可行性與正確性。

自舉；驅(qū)動(dòng)電路；米勒效應(yīng)；單極性

1 引言

IGBT在以變頻器及各類電源為代表的電力電子裝置中得到了廣泛應(yīng)用。高性能的IGBT驅(qū)動(dòng)電路能夠減少開(kāi)關(guān)延時(shí)，降低開(kāi)關(guān)損耗，使IGBT獲得很好的開(kāi)通和關(guān)斷性能，對(duì)IGBT的可靠運(yùn)行起到關(guān)鍵作用［1－4］。IGBT 開(kāi)關(guān)時(shí)，存在由于橋臂的寄生電感在高的di／dt下引起的電壓尖峰和震蕩，以及由于米勒效應(yīng)引起的二次開(kāi)通現(xiàn)象，可能導(dǎo)致IGBT 橋臂直通，損壞模塊［5－6］的致命問(wèn)題。為解決此問(wèn)題，一種方法就是采用雙極性電源來(lái)驅(qū)動(dòng)門極，通過(guò)負(fù)壓來(lái)可靠關(guān)斷IGBT［7］。然而雙極性門極驅(qū)動(dòng)需要提供正負(fù)電源，成本很高。對(duì)于額定電流100A以下的IGBT驅(qū)動(dòng)，由于成本原因，通常不能采用負(fù)壓關(guān)斷，因此，設(shè)計(jì)一種經(jīng)濟(jì)性好又具有高可靠性的驅(qū)動(dòng)電路是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。一種經(jīng)濟(jì)性好的方案就是采用單電源，上橋驅(qū)動(dòng)采用自舉電路供電。然而，單極性自舉驅(qū)動(dòng)電路存在由于寄生電感的影響，在換流時(shí)會(huì)在IGBT射極產(chǎn)生負(fù)壓引起振蕩，加之米勒效應(yīng)會(huì)引起二次開(kāi)通等為問(wèn)題。文獻(xiàn)［7］、［8］調(diào)研了幾種門極驅(qū)動(dòng)以及驅(qū)動(dòng)電源的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)雙極性的IGBT驅(qū)動(dòng)電路，指出自舉技術(shù)通過(guò)修改可以實(shí)現(xiàn)正負(fù)雙極性供電。文獻(xiàn)［9］、10］通過(guò)在自舉電路中加入Buck－Boost電路實(shí)現(xiàn)了負(fù)壓關(guān)斷上橋IGBT。這些電路普遍都采用負(fù)壓進(jìn)行IGBT關(guān)斷，增加了電路的復(fù)雜性和成本。

本文基于自舉技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種IGBT驅(qū)動(dòng)電源供電方案和門極驅(qū)動(dòng)電路，采用自舉單極性電源供電，通過(guò)有源箝位和自舉限流等技術(shù)解決了傳統(tǒng)自舉電路的負(fù)壓?jiǎn)栴}，通過(guò)三極管來(lái)分流米勒電流，解決米勒效應(yīng)問(wèn)題。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，適用于額定電流100A以下的IGBT驅(qū)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的可行性與正確性，滿足了經(jīng)濟(jì)性與可靠性的要求。

2 傳統(tǒng)的自舉驅(qū)動(dòng)電路

2.1 傳統(tǒng)的自舉電路原理及不足

如圖1所示，該驅(qū)動(dòng)電路采用單極性電源供電，采用16V的單電源給下橋IGBT門極驅(qū)動(dòng)器供電。上橋的IGBT門極驅(qū)動(dòng)器采用自舉電路供電，該自舉電路包括二極管Dbs和電容Cbs。當(dāng)下橋IGBT導(dǎo)通時(shí)，電流從電源通過(guò)二極管Dbs和下橋IGBT給電容Cbs充電。當(dāng)下橋IGBT關(guān)閉時(shí)，上橋的IGBT門極驅(qū)動(dòng)器由電容Cbs供電。當(dāng)上橋IGBT導(dǎo)通時(shí)，二極管Dbs被阻斷。這種單電源的自舉電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，但是存在一些缺點(diǎn)。

圖1 傳統(tǒng)的自舉電路

如圖2所示，當(dāng)上橋的IGBT關(guān)斷時(shí)，負(fù)載的電流會(huì)瞬間切換至下橋的續(xù)流二極管進(jìn)行續(xù)流，由于橋臂寄生電感的存在，Vs端（C點(diǎn)）會(huì)感應(yīng)出負(fù)壓。

負(fù)壓幅值的大小取決于寄生電感的大小和開(kāi)關(guān)速度及dic／dt。負(fù)壓的幅值如果明顯，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。一方面，VS端產(chǎn)生負(fù)壓會(huì)引起自舉電容過(guò)壓。因?yàn)殡娫?6V的參考地是GND，自舉電容兩端的電壓VBS等于16V減去Vs端的負(fù)壓：

負(fù)壓越大，自舉電容兩端承受的電壓就越高。另一方面，如果負(fù)壓的值超過(guò)驅(qū)動(dòng)IC的限值，將會(huì)引起驅(qū)動(dòng)芯片損壞，由于C點(diǎn)的電壓變?yōu)樨?fù)壓，這樣上管的門極驅(qū)動(dòng)電壓VGS＝B－C，如果這一電壓超過(guò)IGBT的開(kāi)通門限電壓，就會(huì)使得上橋的IGBT誤導(dǎo)通，引起橋臂直通，如圖3所示。因此，當(dāng)上橋的開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，VS端的負(fù)壓是傳統(tǒng)自舉電路的一個(gè)缺陷。

圖2 上管關(guān)斷時(shí)Vs端產(chǎn)生負(fù)壓

圖3 上管關(guān)斷時(shí)的波形

2.2 米勒效應(yīng)引起的IGBT誤開(kāi)通

當(dāng)開(kāi)通上橋IGBT Q1時(shí)，下橋的IGBT Q2電壓會(huì)產(chǎn)生一個(gè)dVCE／dt，通過(guò)Q2的寄生的米勒電容CCG會(huì)形成一個(gè)電流，該電流流經(jīng)驅(qū)動(dòng)電阻RG以及驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部電阻RDRV接地。圖4所示顯示了電流通過(guò)米勒電容的路徑。這個(gè)電流可以通過(guò)公式（4）計(jì)算：

這個(gè)電流會(huì)在驅(qū)動(dòng)電阻上產(chǎn)生壓降：

當(dāng)這個(gè)壓降超過(guò)了IGBT開(kāi)通的門限電壓時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生誤開(kāi)通，導(dǎo)致橋臂直通，損壞IGBT模塊。

同樣的原理，當(dāng)下橋IGBT Q2開(kāi)通時(shí)，這種寄生的誤觸發(fā)同樣會(huì)發(fā)生在上橋IGBT Q1上。

圖4 米勒效應(yīng)引起的下橋IGBT誤開(kāi)通

為了抑制米勒效應(yīng)，通常采用負(fù)壓來(lái)進(jìn)行關(guān)斷IGBT，然而，傳統(tǒng)的自舉電路無(wú)法提供負(fù)壓，因此，傳統(tǒng)的自舉驅(qū)動(dòng)電路如何來(lái)克服由于米勒效應(yīng)引起的誤開(kāi)通也是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

3 改進(jìn)的自舉驅(qū)動(dòng)電路

3.1 改進(jìn)的自舉電路

為了克服傳統(tǒng)自舉電路的不足，一種改進(jìn)的方案，就是串聯(lián)一個(gè)小的電阻Rbs給自舉二極管Dbs，通過(guò)電阻限流防止充電電流過(guò)大損壞自舉電容Cbs，此方法在一定程度上能夠緩解由于VS端的負(fù)壓造成的影響。再在自舉電容兩端并聯(lián)一個(gè)24V／1W齊納二極管DZ，防止電壓浪涌損壞自舉電容。進(jìn)一步在GND和VS之間添加一個(gè)低管壓降的肖特基二極管DS，這個(gè)二極管實(shí)際上是并聯(lián)在下管的IGBT和寄生電感LS2兩端。當(dāng)上管Q1關(guān)斷時(shí)，在LS2兩端感應(yīng)出的負(fù)壓被肖特基二極管DS箝位。再在VS和Vout輸出端添加一個(gè)電阻RVS，RVS不僅可以起到自舉限流電阻的作用，還可以起到IGBT的門極開(kāi)通電阻的作用。同時(shí)電阻RVS也是肖特基二極管DS的限流電阻。

圖5 改進(jìn)的自舉電路

式中，RBOOST為疊加后的自舉限流電阻，RON為疊加后的門極開(kāi)通電阻。

3.2 改進(jìn)的自舉電路中器件的選型

3.2.1 自舉電容的選型

每當(dāng)下橋的IGBT開(kāi)通時(shí)自舉電容被充電，當(dāng)下橋關(guān)斷，上橋開(kāi)通時(shí)自舉電容放電，自舉電容用來(lái)給上橋驅(qū)動(dòng)供電。因此，自舉電容首先要保證的就是當(dāng)上橋開(kāi)通時(shí)，電容兩端的電壓降不能低于驅(qū)動(dòng)允許的最小值。假如VGSMIN是IGBT的最小驅(qū)動(dòng)電壓，電容兩端的電壓降約為：

式中，VDD為驅(qū)動(dòng)電源電壓；VF為自舉二極管的壓降；VD為極二極管的壓降。自舉電容的容量為：

這里QTOTAL是IGBT總的充電量。

在本課題中

考慮到陶瓷電容有直流偏置，選取CBOOT容量為10uF。

3.2.2 限流電阻的選型

當(dāng)添加了限流電阻以后，會(huì)在電阻上產(chǎn)生一個(gè)壓降：

式中，ICHARGE為自舉充電電流；RBOOST為限流電阻；tCHARGE為自舉電容充電時(shí)間（下橋的開(kāi)通時(shí)間）。

電阻的加入會(huì)增加充電的時(shí)間常數(shù)，因此，需要綜合考慮足夠的充電時(shí)間以及允許的電壓降，自舉電阻包括Rbs和RVS兩部分，充電的時(shí)間常數(shù)可以從下式來(lái)得到：

本課題中 Rbs＝5Ω，RVS＝5Ω。

3.3 改進(jìn)的IGBT門極驅(qū)動(dòng)電路

選擇合適的門極電阻RG對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)相當(dāng)重要。RG較小，柵射極之間的充放電時(shí)間常數(shù)比較小，會(huì)使開(kāi)通瞬間電流較大，從而損壞IGBT；RG較大，有利于抑制dVce／dt，但會(huì)增加IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗。米勒電流會(huì)在驅(qū)動(dòng)電阻上產(chǎn)生壓降，電阻值越大，壓降就越大。為了減少米勒電流引起的壓降，需要選取較小的驅(qū)動(dòng)電阻。因此IGBT門極電阻的選值需要綜合權(quán)衡。

圖6 采用三極管來(lái)分流米勒電流

一種改進(jìn)的門極驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示，IGBT開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流路徑如圖所示。開(kāi)通時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流流經(jīng)驅(qū)動(dòng)電阻RG和RVS；關(guān)斷時(shí)的電流路徑，采用一個(gè)三極管T來(lái)分流米勒電流，當(dāng)T1關(guān)斷時(shí)，由于米勒效應(yīng)，門極的電位會(huì)略有升高，這樣三極管T會(huì)導(dǎo)通，將三極管基極和射極短路，為米勒電流提供了一個(gè)通道。二極管D阻止了米勒電流流向驅(qū)動(dòng)電阻和驅(qū)動(dòng)芯片，有效地防止了米勒電流在門極電阻上產(chǎn)生的電壓尖峰。

4 實(shí)驗(yàn)

將改進(jìn)的自舉驅(qū)動(dòng)電路用于三相低壓變頻器中。變頻器的主要參數(shù)為：輸入電壓380V－480V，輸出電壓0V－480V，輸出功率為4kW，載波頻率fsw＝6kHz。IGBT模塊選用Miniskiip2 PIM1200V／25A，該模塊輸入電容0.25nF，門極充電容量為120nc。自舉電容Cbs容量為10uf，電阻 Rbs＝5Ω，Rvs＝5Ω，自舉二極管選用SF1600。RB＝20Ω，RE＝20Ω，RG＝51Ω。圖 7（a）和圖 7（b）為傳統(tǒng)的自舉驅(qū)動(dòng)電路中IGBT的驅(qū)動(dòng)波形，圖7（c）和圖7（d）為改進(jìn)后的驅(qū)動(dòng)電路中IGBT的驅(qū)動(dòng)波形。圖7（a）是上橋IGBT關(guān)斷過(guò)程和下橋IGBT開(kāi)通的過(guò)程的波形，上橋的門極驅(qū)動(dòng)電壓波形上有一個(gè)二次上升的電壓尖峰，峰值達(dá)9V，脈沖持續(xù)時(shí)間為200ns。圖7（b）為下橋IGBT關(guān)斷過(guò)程和上橋IGBT開(kāi)通過(guò)程的波形，下橋的門極驅(qū)動(dòng)電壓波形上有一個(gè)二次上升的電壓尖峰，峰值達(dá)5.4V，脈沖持續(xù)時(shí)間為200ns，這個(gè)幅值已經(jīng)高于IGBT開(kāi)啟的最低門限電壓，存在橋臂直通的風(fēng)險(xiǎn)。圖7（c）為改進(jìn)的電路中上橋IGBT關(guān)斷過(guò)程和下橋IGBT開(kāi)通的過(guò)程的IGBT的門極驅(qū)動(dòng)波形Vge，上橋IGBT的Vge波形仍然存在一個(gè)電壓尖峰，但是最高峰值僅為1.4V，整個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間僅為90ns。圖7（d）為改進(jìn)的電路下橋IGBT關(guān)斷過(guò)程和上橋IGBT開(kāi)通的過(guò)程的波形，下橋IGBT的Vge波形仍然存在一個(gè)電壓尖峰，但是最高峰值僅為1.7V，整個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間僅為80ns，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于IGBT開(kāi)通門限電壓，所以不會(huì)引起橋臂直通，使用安全可靠。

圖7 電驅(qū)動(dòng)電路波形圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析傳統(tǒng)單極性自舉驅(qū)動(dòng)電路存在的問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出一種改進(jìn)的單極性自舉驅(qū)動(dòng)電路。試驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果表明，改進(jìn)的電路能夠解決傳統(tǒng)電路中存在的問(wèn)題。該方案適用于100A以下的功率模塊的驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

［1］寧紅英，孫旭霞，楊 媛.一種基于diC／dt反饋控制的大功率 IGBT 驅(qū)動(dòng)保護(hù)方法［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30（05）：33－41.

［2］黃先進(jìn)，蔣曉春，葉 斌，鄭瓊林.智能化IGBT驅(qū)動(dòng)電路研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，（4）.

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［10］Lee J M，Kim M K.Bootstrap circuitry for an IGBT：US，US9209793［P］.2015.

An improved unipolar IGBT driving circuit

LUO Bin1，ZHOU Hong2
（1.Bosch Rexroth（Xi’an）Electric Drives and Controls Co.，Ltd.，Xi’an 710026，China；2.Emerson Network Power（Xi’an）Co.，Ltd.，Xi’an 710075，China）

The unipolar IGBT drive circuit has the advantages of simple structure and low cost，but there exists the problems of the emitter generating negative pressure and oscillation and the Miller effect caused by two open problems in the circuit.Aiming at the above problems and based on the unipolar power supply，the IGBT drive power and the gate drive control circuit are designed.The bootstrap circuit is adopted to supply the power for the upper bridge arm，through active clamp and bootstrap current limiting method is adopted to solve the problem of the negative pressure for the IGBT emitter，the triode is adopted to shunt the Miller current，and thus the two error opening problems caused by the Miller effect are solved.The experimental results show that the method is feasible and correct.

bootstrap；driving circuit；Miller effect；unipolarity

TM131

B

1005—7277（2016）05—0051—05

羅 斌（1982－），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化控制與電力電子技術(shù)。

周 紅（1982－），女，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)殡姎夤こ膛c工業(yè)自動(dòng)化控制。

2016－07－11