宮鑫+王飛+彭文亮+許強(qiáng)強(qiáng)

摘 要： IGBT的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路影響IGBT的通態(tài)壓降、開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)損耗、承受短路電流能力等，決定了IGBT的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性。針對(duì)IGBT在開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)，密勒效應(yīng)對(duì)驅(qū)動(dòng)的影響及其應(yīng)對(duì)策略進(jìn)行研究和分析。分析了密勒電容引起的寄生導(dǎo)通效應(yīng)的4種應(yīng)對(duì)策略，包括改變門(mén)極電阻，增加GE間電容，采用負(fù)壓驅(qū)動(dòng)以及有源密勒鉗位技術(shù)，并分析了驅(qū)動(dòng)電路中門(mén)極電阻對(duì)IGBT性能的影響。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，給出了實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果。此外還對(duì)驅(qū)動(dòng)與控制板的線纜連接要求進(jìn)行了測(cè)試對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，門(mén)極電阻的設(shè)置直接影響IGBT的開(kāi)關(guān)性能，實(shí)際應(yīng)用中需要綜合考慮實(shí)際需求選擇合適的門(mén)極電阻值來(lái)保證IGBT最優(yōu)化地開(kāi)通關(guān)斷，密勒效應(yīng)中的密勒電容對(duì)IGBT的開(kāi)關(guān)性能影響非常大，驅(qū)動(dòng)與控制板的線纜連接要求越短越好。

關(guān)鍵詞： IGBT； 驅(qū)動(dòng)電路； 密勒效應(yīng)； 分布電容； 門(mén)極電阻； 動(dòng)態(tài)特性

中圖分類(lèi)號(hào)： TN710.4?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）02?0044?04

Abstract： The gate driver circuit of IGBT affects on?state voltage drop， switching time， switching loss and capability bearing short?circuit current of IGBT， which determines the static and dynamic characteristics of ICBT. The influence of Miller effect on driver during the on?and?off of IGBT and the coping strategies are researched and analyzed. The four strategies corresponding to parasitic conduction effect produced by Miller capacitance are analyzed， including changing gate resistance， increasing capacitance between GE， using negative pressure drive and active Miller clamp technology. The influence of gate resistance in driver circuit on IGBT performance is also analyzed. On this basis， the contrast experiment was carried out. The experimental analysis results are given. The requirements of cable collection between the driver and the control panel are compared. The experimental results shows that the setting of gate resistance directly affects the switching performance of IGBT， the practical demand needs to be considered to select an appropriate gate resistance value for ensuring the optimization of IGBT on?and?off in the practical application， the Miller capacitance in Miller effect has a great influence on the switching performance of IGBT， and the cable collecting the driver and the control panel should be as short as possible.

Keywords： IGBT； driver circuit； Miller effect； distributed capacitance； gate resistance； dynamic characteristic

IGBT近年來(lái)在各種電力變換裝置中得到廣泛應(yīng)用[1?7]，而IGBT的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路影響IGBT的通態(tài)壓降、開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)損耗、承受短路電流能力等，決定了IGBT的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性。驅(qū)動(dòng)電路作為電力電子裝置中的一個(gè)重要組成部分，其輸入連接至控制電路的PWM信號(hào)輸出端，輸出連接至裝置中各IGBT的門(mén)極和發(fā)射極，其主要功能是將裝置中的控制電路產(chǎn)生的數(shù)字PWM信號(hào)進(jìn)行傳輸和電平轉(zhuǎn)換以及功率放大，實(shí)現(xiàn)控制電路對(duì)IGBT開(kāi)通和關(guān)斷動(dòng)作的控制，從而實(shí)現(xiàn)裝置的功率變換功能[8]。

IGBT是電壓控制型器件，需要提供適當(dāng)?shù)恼聪螂妷翰拍苁蛊淇煽块_(kāi)通和關(guān)斷。IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間應(yīng)綜合考慮，快速開(kāi)通和關(guān)斷有利于提高工作頻率，減小開(kāi)關(guān)損耗，但過(guò)快的開(kāi)關(guān)速度會(huì)造成很高的尖峰電壓。當(dāng)IGBT開(kāi)通后，驅(qū)動(dòng)電路需提供足夠的電壓、電流幅值，使IGBT在正常工作及過(guò)載情況下不至于退飽和而損耗。驅(qū)動(dòng)電路中門(mén)極電阻對(duì)工作性能有較大影響。

由于IGBT的門(mén)極發(fā)射極和門(mén)極集電極間存在著分布電容，，以及發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路中存在有分布電感，這些分布參數(shù)的影響，使得IGBT的實(shí)際驅(qū)動(dòng)波形與理想驅(qū)動(dòng)波形不盡相同，并產(chǎn)生了不利于IGBT開(kāi)通和關(guān)斷的因素。即密勒電容所引起的寄生導(dǎo)通效應(yīng)對(duì)IGBT開(kāi)關(guān)有著明顯的影響[9]。endprint

本文針對(duì)IGBT在開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)，密勒效應(yīng)對(duì)驅(qū)動(dòng)的影響以及應(yīng)對(duì)策略進(jìn)行研究分析。詳細(xì)介紹了驅(qū)動(dòng)電路中的門(mén)極電阻對(duì)IGBT性能的影響，密勒電容引起的寄生導(dǎo)通效應(yīng)的4種應(yīng)對(duì)策略，包括改變門(mén)極電阻，增加GE間電容，采用負(fù)壓驅(qū)動(dòng)以及有源密勒鉗位技術(shù)，并進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，給出了測(cè)試結(jié)果。此外還對(duì)驅(qū)動(dòng)與控制板的線纜連接要求進(jìn)行了測(cè)試對(duì)比。

1 密勒電容引起的寄生導(dǎo)通效應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略

當(dāng)IGBT在開(kāi)關(guān)時(shí)遇到的一個(gè)普通問(wèn)題就是寄生密勒電容開(kāi)通期間的米勒平臺(tái)，米勒效應(yīng)在單電源門(mén)極驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中影響比較明顯。在門(mén)極G和集電極C之間的耦合，使得IGBT關(guān)斷期間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很高的瞬態(tài)， 這樣會(huì)引發(fā)門(mén)極間電壓升高而誤導(dǎo)通見(jiàn)圖1。

減緩密勒效應(yīng)的解決方法有：改變門(mén)極電阻，在門(mén)極G和射極E之間增加電容，采用負(fù)壓驅(qū)動(dòng)以及有源鉗位技術(shù)。

1.1 改變門(mén)極電阻

IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間是由驅(qū)動(dòng)電路對(duì)IGBT的輸入電容的充放電來(lái)控制，增加門(mén)極輸出電流，IGBT開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間會(huì)相應(yīng)縮短，開(kāi)關(guān)損耗也會(huì)降低。門(mén)極電阻主要是用來(lái)限制門(mén)極輸出的降值電流，圖2給出了門(mén)極電阻在驅(qū)動(dòng)電路中的工作示意圖。門(mén)極電阻的選擇對(duì)IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷影響很大[8?10]。門(mén)極電阻大，有利于抵制IGBT的電流上升率及電壓上升率，但會(huì)增加IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗，具體受影響的參數(shù)變化如圖3所示，可以根據(jù)實(shí)際電路要求選擇合適的門(mén)極電阻。

因此，門(mén)極導(dǎo)通電阻影響IGBT導(dǎo)通期間的門(mén)極充電電壓和電流； 增大這個(gè)電阻將減小門(mén)極充電的電壓和電流，但會(huì)增加開(kāi)通損耗。寄生密勒電容引起的導(dǎo)通通過(guò)減小關(guān)斷電阻可以有效抑制，越小的關(guān)斷電阻同樣也能減少I(mǎi)GBT的關(guān)斷損耗，然而需要付出的代價(jià)是在關(guān)斷期間由于雜散電感會(huì)產(chǎn)生很高的過(guò)壓尖峰和門(mén)極震蕩，如圖4所示。

1.2 GE間電容

GE間增加電容將影響IGBT開(kāi)關(guān)的特性。GE分擔(dān)了密勒電容產(chǎn)生的門(mén)極充電電流，IGBT總的輸入電容為二者之和，門(mén)極充電要達(dá)到門(mén)極驅(qū)動(dòng)的閾值電壓需要更多的電荷。由于GE間增加電容，驅(qū)動(dòng)電源功耗會(huì)增加，相同的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻情況下IGBT的開(kāi)關(guān)損耗也會(huì)增加，如圖5所示。

的增加對(duì)EMC性能有影響，主要影響到和， 另外對(duì)開(kāi)關(guān)損耗和以及對(duì)驅(qū)動(dòng)功率損耗也有影響。在相似的條件下，可以得出以下數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)曲線，如表1和圖6所示。

從圖6的測(cè)試對(duì)比曲線可以看出，增加GE電容后降低了，峰值電流有下降，對(duì)密勒效應(yīng)有所減緩。在相似的條件下，可以得出以下數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)曲線，如表2和圖7所示。從圖7的測(cè)試對(duì)比曲線可以看出，增加GE電容后降低了開(kāi)通損耗，增加了峰值GE間電壓。

1.3 采用負(fù)壓驅(qū)動(dòng)

采用門(mén)極負(fù)電壓來(lái)安全關(guān)斷，可提高門(mén)限電壓。對(duì)于IGBT模塊在100 A以上應(yīng)用中比較典型。但增加負(fù)電源供電增加設(shè)計(jì)復(fù)雜度，同時(shí)也增大設(shè)計(jì)尺寸。見(jiàn)圖8。

1.4 有源密勒鉗位技術(shù)

為了避免門(mén)極優(yōu)化問(wèn)題、GE增加電容的損耗和效率、負(fù)電源供電增加成本等問(wèn)題，通過(guò)將門(mén)極G與射極E短路的方法來(lái)抵制因?yàn)榧纳芾针娙輰?dǎo)致的誤開(kāi)通。可以通過(guò)在門(mén)極G和射極E之間增加三極管來(lái)實(shí)現(xiàn)，在電壓達(dá)到某個(gè)值時(shí)，門(mén)極G和射極E的短路開(kāi)關(guān)將觸發(fā)工作。這樣流經(jīng)密勒電容的電流將通過(guò)三極管旁路而不流向驅(qū)動(dòng)器引腳，這種技術(shù)即有源密勒鉗位技術(shù)。有源密勒鉗位技術(shù)電路圖如圖9所示。

2 驅(qū)動(dòng)與控制板的線纜連接要求

驅(qū)動(dòng)板與控制板連接時(shí)需要注意以下事項(xiàng)：驅(qū)動(dòng)板應(yīng)盡量靠近控制板；電纜的長(zhǎng)度應(yīng)越短越好，原則上不超過(guò)3 m；應(yīng)該使用雙絞線電纜；控制信號(hào)和信號(hào)地應(yīng)該與電源分開(kāi)；信號(hào)線應(yīng)放置在遠(yuǎn)離功率端子、電源線、直流母排電容和其他干擾源的地方；在信號(hào)和驅(qū)動(dòng)的電源地之間加一個(gè)低值的電容（1 nF）可以抑制噪聲的干擾。表3和圖10給出了驅(qū)動(dòng)和控制板線纜長(zhǎng)度對(duì)參數(shù)的影響。從圖10的對(duì)比曲線可以看出，線纜長(zhǎng)度增加后降低了，但提高了峰值電流和增加了峰值GE間電壓。

3 結(jié) 論

測(cè)試分析對(duì)比了不同門(mén)極電阻對(duì)IGBT性能的影響，密勒電容引起的寄生導(dǎo)通效應(yīng)對(duì)IGBT開(kāi)關(guān)的影響和應(yīng)對(duì)策略，以及驅(qū)動(dòng)板與控制板連接線纜的長(zhǎng)度對(duì)IGBT性能的影響，主要結(jié)論如下：門(mén)極電阻的設(shè)置直接影響IGBT的開(kāi)關(guān)性能，實(shí)際應(yīng)用中需要綜合考慮實(shí)際需求選擇合適的門(mén)極電阻值來(lái)保證IGBT最優(yōu)化地開(kāi)通關(guān)斷；密勒效應(yīng)中的密勒電容對(duì)IGBT的開(kāi)關(guān)性能影響非常大，本文列舉了4種解決方法，分別在抵制寄生密勒導(dǎo)致的誤導(dǎo)通效果、成本、開(kāi)關(guān)損耗等方面各有優(yōu)勢(shì)，尤其是針對(duì)增加GE間電容技術(shù)上進(jìn)行了測(cè)試對(duì)比；驅(qū)動(dòng)與控制板的線纜連接要求越短越好，針對(duì)不同線纜長(zhǎng)度進(jìn)行了測(cè)試對(duì)比。

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