大功率IGBT驱动电路的设计

【摘要】为了满足实际应用的需求，设计了600V/ 50A等级 IGBT模块驱动电路，电路重点考虑了由寄生的极间电容引起的米勒效应以及dV/dt对IGBT驱动的影响，经参数分析和计算，确定了驱动电压幅值和驱动电流值;驱动电路由光耦隔离、功率驱动和栅极保护电路组成，实现了信号端与功率端电气隔离、调节驱动电压幅值宽度和增加驱动电流、抑制米勒效应的功能。实验结果表明该驱动电路在100KHz工作频率下获得良好的IGBT输出波形，满足设计要求。

【关键词】IGBT;驱动;米勒效应

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

开关速度、导通损耗以及稳定度之间的平衡是选择IGBT的重要因素;而稳定可靠的IGBT驱动电路是IGBT发挥良好开关特性的重要保证，它可以避免在IGBT操作过程中由于信号干扰、电流或电压不足、操作延时等各种原因造成的开关误动作的发生，因此IGBT驱动电路的设计关系到整个电路系统设计的成败，对IGBT的使用来说至关重要。IGBT的开通与关断是由门级电压控制的，所需的驱动电压和驱动功率与IGBT的内部参数有着紧密的关联;如何避免米勒效应和dV/dt的影响是成功驱动IGBT的关键。

1.IGBT模块

由于实际电路的需求，所选的IGBT模块的集电极-发射极电压为Vecs=600V，集电极电流Inc=50A，最大门级驱动电压为±20V。该IGBT模块内含四个IGBT构成H桥，其内部结构如图1所示：

图1 IGBT模块内部结构图

图2 IGBT输出特性曲线图（（Vce-Ic）

图1中可以看到，IGBT模块每个桥臂上都有一个IGBT和一个反并联续流二极管组成，在使用时两者都会产生损耗。

2.驱动参数计算

2.1 门级驱动信号及电压幅值

作为开关型电子器件，IGBT（和MOSFET一样）属于电压驱动型器件，IGBT的控制端采用高/低电平变换的PWM波，当控制端处于高电平时IGBT处于打开状态，当控制端是低电平时IGBT处于关闭状态。

图2为该IGBT模块的输出特性曲线，图2中可以看到，栅极-源极电压VGE>=9V后，流过集电极电流Ic可以达到50A以上，当VGE>=15V时，IGBT工作在恒流区，由于Vge>17V后，门级电压过高，会导致IGBT饱和电流过高和开关速度过快，增加短路的风险，因此选择开通门级电压为Vge=+15V;当关闭IGBT时，为了复合掉漂移区的残留空穴，快速截断IGBT内的电子流，通常给门级加反向电压Vge<0V，以保证有效关断IGBT;由于门极电压不能超过±20V，因此门级驱动电压幅值采用双向电压方式，并采用+15V（VCC）～-15V（VEE）双向电源为驱动电路供电。

2.2 米勒效应

根据电容方程，IGBT驱动电流由输入电容的充电过程获得：

Ig=Cin*dV/dt（公式1）

其中Cin为输入电容，dV/dt为达到开通电压所需要的时间。

IGBT内部的极间电容对IGBT的驱动电流有很大的影响，在设计时不容忽视。图4中Cge和Cgc是IGBT内部寄生电容，也叫极间电容，Cge为栅极和发射极之间的极间电容，Cgc是栅极和集电极之间的极间电容。从IGBT输入输出特性图（图2）可知，在栅极驱动信号从低电平跃升到高电平+15V过程中，当驱动信号电平达到10V时，IGBT就已经稳定打开了;当IGBT栅极加驱动电压开通时，在栅极电压从0V上升到10V的过程中，这些内部存在极间寄生电容也随之产生充放电过程，如图3所示，栅极电流Ig包括I1和I2两个部分，根据电容方程可知：

I1=Cge*dV/dt（公式2）

I2=Cgc*d（Vdc+dV）/dt（公式3）

查IGBT数据手册（图3）可知，Cge=3.10nF，Cgc=0.095nF;Vdc为输入交流AC220V整流后获得的直流电压，其值为Vdc=1.41×220V=310V，IGBT开关导通延时时间内完成电容充电，dt=tdon+tr=0.023us+0.018us=41nS，带入公式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，计算I2/Ig=741mA/1.497A=49.5%

可见，由于内部寄生电容的充放电过程，使较小的极间电容Cgc分去了接近总栅极电流的50%的电流，这种现象叫米勒现象，是造成IGBT导通延时的主要原因。从公式2可以看出，在计算驱动电流时，输入电容中的C2上应乘以IGBT的增益倍数K，K=（Vdc+dV）/dV。故公式1中Cin=Cge+K*Cgc，根据此式确定栅极驱动电流可以保证栅极有效可靠驱动（见图3）。

2.3 确定门级驱动电流

根据2.3的计算，考虑到驱动电路本身消耗功率，按电流实际输出有效率75%计算，门级驱动电流应达到1.497A/75%=1.996A，因此，驱动输出电流达到2A可满足驱动要求。

3.驱动电路设计

IGBT控制信号是PWM波，通常由主机（或MCU）产生，经驱动电路送IGBT栅极。为了隔离控制信号与功率信号、避免混合电路给控制信号带来干扰而引起IGBT误动作，在PWM波控制信号和驱动电路之间加光耦电路实现信号隔离。

为了实现信号隔离，控制信号与功率信号两侧的辅助供电电源也应做到隔离。如图4所示。

图4中，U1为光耦隔离电路，控制信号PWM波经过光耦电路生成幅值为0V～+5V的隔离PWM信号，C2为滤波电容，R2为输出负载电阻，C1为去耦电容;由Q1、Q2组成驱动放大电路，该电路由VCC（+15V）和VEE（-15V）供电，将隔离后的PWM波放大成幅值为-15V～+5V（下转第170页）（上接第168页）的功率驱动信号，送IGBT栅极。

图5 实验电路

D1是钳位二极管，它通过两个途径对IGBT栅极起保护作用：一方面在IGBT开通和关断过程中，在C-E极之间会产生dVec/dt（图3），dVec/dt会通过米勒电容Cgc耦合到门极，在关断时引起门极误动作，D1可以有效将门极钳位在安全电压范围内;另一方面钳位二极管增加了一个电流支路，可以旁路掉米勒电容Cgc的电流。

滤波电容C3、C5是电源去耦电容，采用容值为100nF的电容，尽可能靠近电源管脚;C5与门级电阻R3构成门级驱动信号滤波电路，其中R3取1～10欧姆。

对于IGBT模块，可采用四路相互隔离的驱动电路实现模块内部H桥的驱动。

4.实验及结果

对上述驱动电路制作电路板，取IGBT模块桥路中的一路搭建实验电路（图4），给IGBT栅极-射极加100khz的PWM波驱动信号，在集电极-射极加直流母线电压，用示波器两路探头分别测量Vge（1）和Vce（2）（图5），测量波形结果见图6所示。

图6 实验结果

IGBT驱动电路为图5所示电路，从示波器波形（图6）可以看出，IGBT打开时，Vce=0电压降低，IGBT关闭时Vce=Vb，开通和关闭逻辑正确，没有额外的开通和关断延时，输出波形良好，可以用于实际应用。

5.总结

IGBT驱动电流在计算中应充分考虑其极间电容，在计算中Cgc应乘以其增益倍数后再计入IGBT输入电容，这样计算出来的驱动电流值不会因米勒电容引起的大比例分流而导致驱动电流不足以及由它引起的开通延时问题，增加合适的滤波和保护措施后可以保证IGBT应用设计任务一次性成功完成。

参考文献

[1]Abraham I. Pressman，等著.开关电源设计（第二版）[M].电子工业出版社.

[2]Keither Billings Taylor Morey，等.开关电源手册（第三版）[M].人民邮电出版社.

[3]赵慧敏，张宪.电力电子技术[M].化学工业出版社.

[4]Industrial IGBT Modules Explanation of Technical Information.pdf

[5]华中理工大学电子学教研室编.电子技术基础 模拟部分（第四版）[M].高等教育出版社.

作者简介：王丽秋，副研究员，现供职于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所。