一種改進的單極性IGBT驅(qū)動電路

羅 斌，周 紅

（1.博世力士樂西安電子傳動與控制有限公司，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）

一種改進的單極性IGBT驅(qū)動電路

羅 斌1，周 紅2

（1.博世力士樂西安電子傳動與控制有限公司，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)動電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低，卻存在換流時射極產(chǎn)生負(fù)壓引起振蕩以及米勒效應(yīng)引起二次開通等問題，針對以上問題設(shè)計了一種基于單極性電源供電的IGBT驅(qū)動電源和門極驅(qū)動控制電路。采用自舉電路給上橋臂驅(qū)動供電，通過有源箝位及自舉限流等方法來解決換流時IGBT射極的負(fù)壓問題，采用三極管來分流米勒電流，解決米勒效應(yīng)引起的的二次誤開通問題。實驗結(jié)果證明了該方法的可行性與正確性。

自舉；驅(qū)動電路；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)動電路能夠減少開關(guān)延時，降低開關(guān)損耗，使IGBT獲得很好的開通和關(guān)斷性能，對IGBT的可靠運行起到關(guān)鍵作用［1－4］。IGBT 開關(guān)時，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)引起的二次開通現(xiàn)象，可能導(dǎo)致IGBT 橋臂直通，損壞模塊［5－6］的致命問題。為解決此問題，一種方法就是采用雙極性電源來驅(qū)動門極，通過負(fù)壓來可靠關(guān)斷IGBT［7］。然而雙極性門極驅(qū)動需要提供正負(fù)電源，成本很高。對于額定電流100A以下的IGBT驅(qū)動，由于成本原因，通常不能采用負(fù)壓關(guān)斷，因此，設(shè)計一種經(jīng)濟性好又具有高可靠性的驅(qū)動電路是一個亟待解決的問題。一種經(jīng)濟性好的方案就是采用單電源，上橋驅(qū)動采用自舉電路供電。然而，單極性自舉驅(qū)動電路存在由于寄生電感的影響，在換流時會在IGBT射極產(chǎn)生負(fù)壓引起振蕩，加之米勒效應(yīng)會引起二次開通等為問題。文獻(xiàn)［7］、［8］調(diào)研了幾種門極驅(qū)動以及驅(qū)動電源的組合來實現(xiàn)雙極性的IGBT驅(qū)動電路，指出自舉技術(shù)通過修改可以實現(xiàn)正負(fù)雙極性供電。文獻(xiàn)［9］、10］通過在自舉電路中加入Buck－Boost電路實現(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)計了一種IGBT驅(qū)動電源供電方案和門極驅(qū)動電路，采用自舉單極性電源供電，通過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)壓問題，通過三極管來分流米勒電流，解決米勒效應(yīng)問題。電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低，適用于額定電流100A以下的IGBT驅(qū)動。實驗結(jié)果證明了該方法的可行性與正確性，滿足了經(jīng)濟性與可靠性的要求。

2 傳統(tǒng)的自舉驅(qū)動電路

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)動器供電。上橋的IGBT門極驅(qū)動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，電流從電源通過二極管Dbs和下橋IGBT給電容Cbs充電。當(dāng)下橋IGBT關(guān)閉時，上橋的IGBT門極驅(qū)動器由電容Cbs供電。當(dāng)上橋IGBT導(dǎo)通時，二極管Dbs被阻斷。這種單電源的自舉電路結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但是存在一些缺點。

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，負(fù)載的電流會瞬間切換至下橋的續(xù)流二極管進行續(xù)流，由于橋臂寄生電感的存在，Vs端（C點）會感應(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關(guān)速度及dic／dt。負(fù)壓的幅值如果明顯，會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。一方面，VS端產(chǎn)生負(fù)壓會引起自舉電容過壓。因為電源16V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)壓的值超過驅(qū)動IC的限值，將會引起驅(qū)動芯片損壞，由于C點的電壓變?yōu)樨?fù)壓，這樣上管的門極驅(qū)動電壓VGS＝B－C，如果這一電壓超過IGBT的開通門限電壓，就會使得上橋的IGBT誤導(dǎo)通，引起橋臂直通，如圖3所示。因此，當(dāng)上橋的開關(guān)關(guān)斷時，VS端的負(fù)壓是傳統(tǒng)自舉電路的一個缺陷。

圖2 上管關(guān)斷時Vs端產(chǎn)生負(fù)壓

圖3 上管關(guān)斷時的波形

2.2 米勒效應(yīng)引起的IGBT誤開通

當(dāng)開通上橋IGBT Q1時，下橋的IGBT Q2電壓會產(chǎn)生一個dVCE／dt，通過Q2的寄生的米勒電容CCG會形成一個電流，該電流流經(jīng)驅(qū)動電阻RG以及驅(qū)動芯片內(nèi)部電阻RDRV接地。圖4所示顯示了電流通過米勒電容的路徑。這個電流可以通過公式（4）計算：

這個電流會在驅(qū)動電阻上產(chǎn)生壓降：

當(dāng)這個壓降超過了IGBT開通的門限電壓時，就會產(chǎn)生誤開通，導(dǎo)致橋臂直通，損壞IGBT模塊。

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

圖4 米勒效應(yīng)引起的下橋IGBT誤開通

為了抑制米勒效應(yīng)，通常采用負(fù)壓來進行關(guān)斷IGBT，然而，傳統(tǒng)的自舉電路無法提供負(fù)壓，因此，傳統(tǒng)的自舉驅(qū)動電路如何來克服由于米勒效應(yīng)引起的誤開通也是一個亟待解決的問題。

3 改進的自舉驅(qū)動電路

3.1 改進的自舉電路

為了克服傳統(tǒng)自舉電路的不足，一種改進的方案，就是串聯(lián)一個小的電阻Rbs給自舉二極管Dbs，通過電阻限流防止充電電流過大損壞自舉電容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24V／1W齊納二極管DZ，防止電壓浪涌損壞自舉電容。進一步在GND和VS之間添加一個低管壓降的肖特基二極管DS，這個二極管實際上是并聯(lián)在下管的IGBT和寄生電感LS2兩端。當(dāng)上管Q1關(guān)斷時，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的門極開通電阻的作用。同時電阻RVS也是肖特基二極管DS的限流電阻。

圖5 改進的自舉電路

式中，RBOOST為疊加后的自舉限流電阻，RON為疊加后的門極開通電阻。

3.2 改進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開通時自舉電容被充電，當(dāng)下橋關(guān)斷，上橋開通時自舉電容放電，自舉電容用來給上橋驅(qū)動供電。因此，自舉電容首先要保證的就是當(dāng)上橋開通時，電容兩端的電壓降不能低于驅(qū)動允許的最小值。假如VGSMIN是IGBT的最小驅(qū)動電壓，電容兩端的電壓降約為：

式中，VDD為驅(qū)動電源電壓；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，會在電阻上產(chǎn)生一個壓降：

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

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

本課題中 Rbs＝5Ω，RVS＝5Ω。

3.3 改進的IGBT門極驅(qū)動電路

選擇合適的門極電阻RG對IGBT的驅(qū)動相當(dāng)重要。RG較小，柵射極之間的充放電時間常數(shù)比較小，會使開通瞬間電流較大，從而損壞IGBT；RG較大，有利于抑制dVce／dt，但會增加IGBT的開關(guān)時間和開關(guān)損耗。米勒電流會在驅(qū)動電阻上產(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 采用三極管來分流米勒電流

一種改進的門極驅(qū)動電路如圖6所示，IGBT開通和關(guān)斷時的驅(qū)動電流路徑如圖所示。開通時，驅(qū)動電流流經(jīng)驅(qū)動電阻RG和RVS；關(guān)斷時的電流路徑，采用一個三極管T來分流米勒電流，當(dāng)T1關(guān)斷時，由于米勒效應(yīng)，門極的電位會略有升高，這樣三極管T會導(dǎo)通，將三極管基極和射極短路，為米勒電流提供了一個通道。二極管D阻止了米勒電流流向驅(qū)動電阻和驅(qū)動芯片，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 實驗

將改進的自舉驅(qū)動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)動電路中IGBT的驅(qū)動波形，圖7（c）和圖7（d）為改進后的驅(qū)動電路中IGBT的驅(qū)動波形。圖7（a）是上橋IGBT關(guān)斷過程和下橋IGBT開通的過程的波形，上橋的門極驅(qū)動電壓波形上有一個二次上升的電壓尖峰，峰值達(dá)9V，脈沖持續(xù)時間為200ns。圖7（b）為下橋IGBT關(guān)斷過程和上橋IGBT開通過程的波形，下橋的門極驅(qū)動電壓波形上有一個二次上升的電壓尖峰，峰值達(dá)5.4V，脈沖持續(xù)時間為200ns，這個幅值已經(jīng)高于IGBT開啟的最低門限電壓，存在橋臂直通的風(fēng)險。圖7（c）為改進的電路中上橋IGBT關(guān)斷過程和下橋IGBT開通的過程的IGBT的門極驅(qū)動波形Vge，上橋IGBT的Vge波形仍然存在一個電壓尖峰，但是最高峰值僅為1.4V，整個脈沖持續(xù)時間僅為90ns。圖7（d）為改進的電路下橋IGBT關(guān)斷過程和上橋IGBT開通的過程的波形，下橋IGBT的Vge波形仍然存在一個電壓尖峰，但是最高峰值僅為1.7V，整個脈沖持續(xù)時間僅為80ns，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于IGBT開通門限電壓，所以不會引起橋臂直通，使用安全可靠。

圖7 電驅(qū)動電路波形圖

5 結(jié)束語

本文在分析傳統(tǒng)單極性自舉驅(qū)動電路存在的問題的基礎(chǔ)上，提出一種改進的單極性自舉驅(qū)動電路。試驗和測試結(jié)果表明，改進的電路能夠解決傳統(tǒng)電路中存在的問題。該方案適用于100A以下的功率模塊的驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟性好，具有較好的實用價值。

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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，主要研究方向為工業(yè)自動化控制與電力電子技術(shù)。

周 紅（1982－），女，碩士，工程師，主要研究方向為電氣工程與工業(yè)自動化控制。

2016－07－11