IGBT驅動電路密勒效應的應對策略分析

宮鑫+王飛+彭文亮+許強強

摘 要： IGBT的門極驅動電路影響IGBT的通態(tài)壓降、開關時間、開關損耗、承受短路電流能力等，決定了IGBT的靜態(tài)與動態(tài)特性。針對IGBT在開通和關斷時，密勒效應對驅動的影響及其應對策略進行研究和分析。分析了密勒電容引起的寄生導通效應的4種應對策略，包括改變門極電阻，增加GE間電容，采用負壓驅動以及有源密勒鉗位技術，并分析了驅動電路中門極電阻對IGBT性能的影響。在此基礎上，進行了實驗對比，給出了實驗分析結果。此外還對驅動與控制板的線纜連接要求進行了測試對比。實驗結果表明，門極電阻的設置直接影響IGBT的開關性能，實際應用中需要綜合考慮實際需求選擇合適的門極電阻值來保證IGBT最優(yōu)化地開通關斷，密勒效應中的密勒電容對IGBT的開關性能影響非常大，驅動與控制板的線纜連接要求越短越好。

關鍵詞： IGBT； 驅動電路； 密勒效應； 分布電容； 門極電阻； 動態(tài)特性

中圖分類號： TN710.4?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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近年來在各種電力變換裝置中得到廣泛應用[1?7]，而IGBT的門極驅動電路影響IGBT的通態(tài)壓降、開關時間、開關損耗、承受短路電流能力等，決定了IGBT的靜態(tài)與動態(tài)特性。驅動電路作為電力電子裝置中的一個重要組成部分，其輸入連接至控制電路的PWM信號輸出端，輸出連接至裝置中各IGBT的門極和發(fā)射極，其主要功能是將裝置中的控制電路產生的數(shù)字PWM信號進行傳輸和電平轉換以及功率放大，實現(xiàn)控制電路對IGBT開通和關斷動作的控制，從而實現(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?shù)恼聪螂妷翰拍苁蛊淇煽块_通和關斷。IGBT的開關時間應綜合考慮，快速開通和關斷有利于提高工作頻率，減小開關損耗，但過快的開關速度會造成很高的尖峰電壓。當IGBT開通后，驅動電路需提供足夠的電壓、電流幅值，使IGBT在正常工作及過載情況下不至于退飽和而損耗。驅動電路中門極電阻對工作性能有較大影響。

由于IGBT的門極發(fā)射極和門極集電極間存在著分布電容，，以及發(fā)射極驅動電路中存在有分布電感，這些分布參數(shù)的影響，使得IGBT的實際驅動波形與理想驅動波形不盡相同，并產生了不利于IGBT開通和關斷的因素。即密勒電容所引起的寄生導通效應對IGBT開關有著明顯的影響[9]。endprint

本文針對IGBT在開通和關斷時，密勒效應對驅動的影響以及應對策略進行研究分析。詳細介紹了驅動電路中的門極電阻對IGBT性能的影響，密勒電容引起的寄生導通效應的4種應對策略，包括改變門極電阻，增加GE間電容，采用負壓驅動以及有源密勒鉗位技術，并進行了詳細的實驗測試，給出了測試結果。此外還對驅動與控制板的線纜連接要求進行了測試對比。

1 密勒電容引起的寄生導通效應的應對策略

當IGBT在開關時遇到的一個普通問題就是寄生密勒電容開通期間的米勒平臺，米勒效應在單電源門極驅動的應用中影響比較明顯。在門極G和集電極C之間的耦合，使得IGBT關斷期間會產生一個很高的瞬態(tài)， 這樣會引發(fā)門極間電壓升高而誤導通見圖1。

減緩密勒效應的解決方法有：改變門極電阻，在門極G和射極E之間增加電容，采用負壓驅動以及有源鉗位技術。

1.1 改變門極電阻

IGBT的開關時間是由驅動電路對IGBT的輸入電容的充放電來控制，增加門極輸出電流，IGBT開通和關斷時間會相應縮短，開關損耗也會降低。門極電阻主要是用來限制門極輸出的降值電流，圖2給出了門極電阻在驅動電路中的工作示意圖。門極電阻的選擇對IGBT的開通和關斷影響很大[8?10]。門極電阻大，有利于抵制IGBT的電流上升率及電壓上升率，但會增加IGBT的開關時間和開關損耗，具體受影響的參數(shù)變化如圖3所示，可以根據(jù)實際電路要求選擇合適的門極電阻。

因此，門極導通電阻影響IGBT導通期間的門極充電電壓和電流； 增大這個電阻將減小門極充電的電壓和電流，但會增加開通損耗。寄生密勒電容引起的導通通過減小關斷電阻可以有效抑制，越小的關斷電阻同樣也能減少IGBT的關斷損耗，然而需要付出的代價是在關斷期間由于雜散電感會產生很高的過壓尖峰和門極震蕩，如圖4所示。

1.2 GE間電容

GE間增加電容將影響IGBT開關的特性。GE分擔了密勒電容產生的門極充電電流，IGBT總的輸入電容為二者之和，門極充電要達到門極驅動的閾值電壓需要更多的電荷。由于GE間增加電容，驅動電源功耗會增加，相同的門極驅動電阻情況下IGBT的開關損耗也會增加，如圖5所示。

的增加對EMC性能有影響，主要影響到和， 另外對開關損耗和以及對驅動功率損耗也有影響。在相似的條件下，可以得出以下數(shù)據(jù)和實驗曲線，如表1和圖6所示。

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

1.3 采用負壓驅動

采用門極負電壓來安全關斷，可提高門限電壓。對于IGBT模塊在100 A以上應用中比較典型。但增加負電源供電增加設計復雜度，同時也增大設計尺寸。見圖8。

1.4 有源密勒鉗位技術

為了避免門極優(yōu)化問題、GE增加電容的損耗和效率、負電源供電增加成本等問題，通過將門極G與射極E短路的方法來抵制因為寄生密勒電容導致的誤開通?？梢酝ㄟ^在門極G和射極E之間增加三極管來實現(xiàn)，在電壓達到某個值時，門極G和射極E的短路開關將觸發(fā)工作。這樣流經密勒電容的電流將通過三極管旁路而不流向驅動器引腳，這種技術即有源密勒鉗位技術。有源密勒鉗位技術電路圖如圖9所示。

2 驅動與控制板的線纜連接要求

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

3 結 論

測試分析對比了不同門極電阻對IGBT性能的影響，密勒電容引起的寄生導通效應對IGBT開關的影響和應對策略，以及驅動板與控制板連接線纜的長度對IGBT性能的影響，主要結論如下：門極電阻的設置直接影響IGBT的開關性能，實際應用中需要綜合考慮實際需求選擇合適的門極電阻值來保證IGBT最優(yōu)化地開通關斷；密勒效應中的密勒電容對IGBT的開關性能影響非常大，本文列舉了4種解決方法，分別在抵制寄生密勒導致的誤導通效果、成本、開關損耗等方面各有優(yōu)勢，尤其是針對增加GE間電容技術上進行了測試對比；驅動與控制板的線纜連接要求越短越好，針對不同線纜長度進行了測試對比。

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