大功率IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

【摘要】為了滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，設(shè)計(jì)了600V/ 50A等級(jí) IGBT模塊驅(qū)動(dòng)電路，電路重點(diǎn)考慮了由寄生的極間電容引起的米勒效應(yīng)以及dV/dt對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)的影響，經(jīng)參數(shù)分析和計(jì)算，確定了驅(qū)動(dòng)電壓幅值和驅(qū)動(dòng)電流值;驅(qū)動(dòng)電路由光耦隔離、功率驅(qū)動(dòng)和柵極保護(hù)電路組成，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)端與功率端電氣隔離、調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓幅值寬度和增加驅(qū)動(dòng)電流、抑制米勒效應(yīng)的功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該驅(qū)動(dòng)電路在100KHz工作頻率下獲得良好的IGBT輸出波形，滿足設(shè)計(jì)要求。

【關(guān)鍵詞】IGBT;驅(qū)動(dòng);米勒效應(yīng)

Abstract：In order to meet the needs of the applications，the drive circuit of the 600V/50A IGBT module has be designed，which mainly considers the effect of the Miller effect and the dV/dt on the IGBT.The amplitude of driving voltage and the driving current value of the drive circuit has be determined through the parameter analysis and calculation. The driving circuit is driven by the optocoupler isolation，power and grid protection circuit.The experimental results show that the drive circuit to obtain the IGBT output waveform is good at frequency 100KHz，meet the design requirements.

Keywords：GBT;Driver;Miller effect

引言

開關(guān)速度、導(dǎo)通損耗以及穩(wěn)定度之間的平衡是選擇IGBT的重要因素;而穩(wěn)定可靠的IGBT驅(qū)動(dòng)電路是IGBT發(fā)揮良好開關(guān)特性的重要保證，它可以避免在IGBT操作過程中由于信號(hào)干擾、電流或電壓不足、操作延時(shí)等各種原因造成的開關(guān)誤動(dòng)作的發(fā)生，因此IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)關(guān)系到整個(gè)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗，對(duì)IGBT的使用來說至關(guān)重要。IGBT的開通與關(guān)斷是由門級(jí)電壓控制的，所需的驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)功率與IGBT的內(nèi)部參數(shù)有著緊密的關(guān)聯(lián);如何避免米勒效應(yīng)和dV/dt的影響是成功驅(qū)動(dòng)IGBT的關(guān)鍵。

1.IGBT模塊

由于實(shí)際電路的需求，所選的IGBT模塊的集電極-發(fā)射極電壓為Vecs=600V，集電極電流Inc=50A，最大門級(jí)驅(qū)動(dòng)電壓為±20V。該IGBT模塊內(nèi)含四個(gè)IGBT構(gòu)成H橋，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖2 IGBT輸出特性曲線圖（（Vce-Ic）

圖1中可以看到，IGBT模塊每個(gè)橋臂上都有一個(gè)IGBT和一個(gè)反并聯(lián)續(xù)流二極管組成，在使用時(shí)兩者都會(huì)產(chǎn)生損耗。

2.驅(qū)動(dòng)參數(shù)計(jì)算

2.1 門級(jí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)及電壓幅值

作為開關(guān)型電子器件，IGBT（和MOSFET一樣）屬于電壓驅(qū)動(dòng)型器件，IGBT的控制端采用高/低電平變換的PWM波，當(dāng)控制端處于高電平時(shí)IGBT處于打開狀態(tài)，當(dāng)控制端是低電平時(shí)IGBT處于關(guān)閉狀態(tài)。

圖2為該IGBT模塊的輸出特性曲線，圖2中可以看到，柵極-源極電壓VGE>=9V后，流過集電極電流Ic可以達(dá)到50A以上，當(dāng)VGE>=15V時(shí)，IGBT工作在恒流區(qū)，由于Vge>17V后，門級(jí)電壓過高，會(huì)導(dǎo)致IGBT飽和電流過高和開關(guān)速度過快，增加短路的風(fēng)險(xiǎn)，因此選擇開通門級(jí)電壓為Vge=+15V;當(dāng)關(guān)閉IGBT時(shí)，為了復(fù)合掉漂移區(qū)的殘留空穴，快速截?cái)郔GBT內(nèi)的電子流，通常給門級(jí)加反向電壓Vge<0V，以保證有效關(guān)斷IGBT;由于門極電壓不能超過±20V，因此門級(jí)驅(qū)動(dòng)電壓幅值采用雙向電壓方式，并采用+15V（VCC）～-15V（VEE）雙向電源為驅(qū)動(dòng)電路供電。

2.2 米勒效應(yīng)

根據(jù)電容方程，IGBT驅(qū)動(dòng)電流由輸入電容的充電過程獲得：

Ig=Cin*dV/dt（公式1）

其中Cin為輸入電容，dV/dt為達(dá)到開通電壓所需要的時(shí)間。

IGBT內(nèi)部的極間電容對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)電流有很大的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)不容忽視。圖4中Cge和Cgc是IGBT內(nèi)部寄生電容，也叫極間電容，Cge為柵極和發(fā)射極之間的極間電容，Cgc是柵極和集電極之間的極間電容。從IGBT輸入輸出特性圖（圖2）可知，在柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)從低電平躍升到高電平+15V過程中，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)電平達(dá)到10V時(shí)，IGBT就已經(jīng)穩(wěn)定打開了;當(dāng)IGBT柵極加驅(qū)動(dòng)電壓開通時(shí)，在柵極電壓從0V上升到10V的過程中，這些內(nèi)部存在極間寄生電容也隨之產(chǎn)生充放電過程，如圖3所示，柵極電流Ig包括I1和I2兩個(gè)部分，根據(jù)電容方程可知：

I1=Cge*dV/dt（公式2）

I2=Cgc*d（Vdc+dV）/dt（公式3）

查IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)（圖3）可知，Cge=3.10nF，Cgc=0.095nF;Vdc為輸入交流AC220V整流后獲得的直流電壓，其值為Vdc=1.41×220V=310V，IGBT開關(guān)導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間內(nèi)完成電容充電，dt=tdon+tr=0.023us+0.018us=41nS，帶入公式2和公式3得到：

I1=Cge×dV/dt=3.10nF×10V/41nS=756mA;

I2=Cgc×d（Vdc+10）/dt=0.095nF×（310V+10V）/41nS=741mA;

而Ig=I1+I2=756mA+741mA=1.497A，計(jì)算I2/Ig=741mA/1.497A=49.5%

可見，由于內(nèi)部寄生電容的充放電過程，使較小的極間電容Cgc分去了接近總柵極電流的50%的電流，這種現(xiàn)象叫米勒現(xiàn)象，是造成IGBT導(dǎo)通延時(shí)的主要原因。從公式2可以看出，在計(jì)算驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，輸入電容中的C2上應(yīng)乘以IGBT的增益倍數(shù)K，K=（Vdc+dV）/dV。故公式1中Cin=Cge+K*Cgc，根據(jù)此式確定柵極驅(qū)動(dòng)電流可以保證柵極有效可靠驅(qū)動(dòng)（見圖3）。

2.3 確定門級(jí)驅(qū)動(dòng)電流

根據(jù)2.3的計(jì)算，考慮到驅(qū)動(dòng)電路本身消耗功率，按電流實(shí)際輸出有效率75%計(jì)算，門級(jí)驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)達(dá)到1.497A/75%=1.996A，因此，驅(qū)動(dòng)輸出電流達(dá)到2A可滿足驅(qū)動(dòng)要求。

3.驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

IGBT控制信號(hào)是PWM波，通常由主機(jī)（或MCU）產(chǎn)生，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路送IGBT柵極。為了隔離控制信號(hào)與功率信號(hào)、避免混合電路給控制信號(hào)帶來干擾而引起IGBT誤動(dòng)作，在PWM波控制信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電路之間加光耦電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離。

為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離，控制信號(hào)與功率信號(hào)兩側(cè)的輔助供電電源也應(yīng)做到隔離。如圖4所示。

圖4中，U1為光耦隔離電路，控制信號(hào)PWM波經(jīng)過光耦電路生成幅值為0V～+5V的隔離PWM信號(hào)，C2為濾波電容，R2為輸出負(fù)載電阻，C1為去耦電容;由Q1、Q2組成驅(qū)動(dòng)放大電路，該電路由VCC（+15V）和VEE（-15V）供電，將隔離后的PWM波放大成幅值為-15V～+5V（下轉(zhuǎn)第170頁）（上接第168頁）的功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)，送IGBT柵極。

圖5 實(shí)驗(yàn)電路

D1是鉗位二極管，它通過兩個(gè)途徑對(duì)IGBT柵極起保護(hù)作用：一方面在IGBT開通和關(guān)斷過程中，在C-E極之間會(huì)產(chǎn)生dVec/dt（圖3），dVec/dt會(huì)通過米勒電容Cgc耦合到門極，在關(guān)斷時(shí)引起門極誤動(dòng)作，D1可以有效將門極鉗位在安全電壓范圍內(nèi);另一方面鉗位二極管增加了一個(gè)電流支路，可以旁路掉米勒電容Cgc的電流。

濾波電容C3、C5是電源去耦電容，采用容值為100nF的電容，盡可能靠近電源管腳;C5與門級(jí)電阻R3構(gòu)成門級(jí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)濾波電路，其中R3取1～10歐姆。

對(duì)于IGBT模塊，可采用四路相互隔離的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)模塊內(nèi)部H橋的驅(qū)動(dòng)。

4.實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

對(duì)上述驅(qū)動(dòng)電路制作電路板，取IGBT模塊橋路中的一路搭建實(shí)驗(yàn)電路（圖4），給IGBT柵極-射極加100khz的PWM波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在集電極-射極加直流母線電壓，用示波器兩路探頭分別測(cè)量Vge（1）和Vce（2）（圖5），測(cè)量波形結(jié)果見圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

IGBT驅(qū)動(dòng)電路為圖5所示電路，從示波器波形（圖6）可以看出，IGBT打開時(shí)，Vce=0電壓降低，IGBT關(guān)閉時(shí)Vce=Vb，開通和關(guān)閉邏輯正確，沒有額外的開通和關(guān)斷延時(shí)，輸出波形良好，可以用于實(shí)際應(yīng)用。

5.總結(jié)

IGBT驅(qū)動(dòng)電流在計(jì)算中應(yīng)充分考慮其極間電容，在計(jì)算中Cgc應(yīng)乘以其增益倍數(shù)后再計(jì)入IGBT輸入電容，這樣計(jì)算出來的驅(qū)動(dòng)電流值不會(huì)因米勒電容引起的大比例分流而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電流不足以及由它引起的開通延時(shí)問題，增加合適的濾波和保護(hù)措施后可以保證IGBT應(yīng)用設(shè)計(jì)任務(wù)一次性成功完成。

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作者簡(jiǎn)介：王麗秋，副研究員，現(xiàn)供職于中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所。