一种基于单电源供电的IGBT驱动方案设计与分析

杨德荣 刘彦荣

（天津航天鑫茂稀土机电科技有限公司，天津 300384）

IGBT是一种典型的复合型功率器件，它既具有功率MOSFET的高速开关及电压驱动特性，又具有双极型晶体管的低饱和压降及易实现大电流的能力，所需驱动功率小，控制电路简单，且具有较大的安全工作区和短路承受能力。因此，在电力电子系统中，IGBT逐渐取代 MOSFET及双极型晶体管而成为功率开关元件中的重要一员。IGBT的驱动保护技术直接关系到系统长期运行的稳定和安全，理想的驱动电路不但要提供IGBT所需的驱动功率，而且要控制开关损耗，同时在异常工作状态下具有保护IGBT的能力。驱动电路设计中几种常用的方式各有其特点，但均需正负电源供电，目的是使用负偏置栅电压来可靠地关断和封锁功率开关，对于采用全桥控制的无刷电机控制器，需要设计4路相互隔离正负驱动电源，这就带来设计调试复杂化、成本增加因而产品竞争力降低的问题。基于此，我们在低功率、小电流应用场合的无刷电机控制器产品设计中，采用单电源驱动技术，针对单电源驱动存在0V时无法可靠关断的问题，做了具体分析，并采取了相应的解决措施。

1 正负电源双极性驱动方式概述

常用的IGBT驱动方式包括以下几种：

1）分立元件构成的驱动电路

早期出现的 IGBT驱动方式，结构复杂、故障率高，已逐渐被淘汰。

2）光耦驱动电路

光耦驱动电路具有线路简单、性能优越的特点，在电机控制器驱动设计中得到广泛应用。常用的驱动光耦有东芝的TLP系列，夏普的PC系列,惠普的HCPL系列等。

3）专用驱动模块

包括厚膜驱动电路和集成驱动模块。

厚膜驱动电路将驱动部分的元器件集成到一片陶瓷基片上，同时具备驱动和保护功能，工作可靠稳定、使用灵活方便，在中、大功率的逆变器产品中应用广泛。集成驱动模块具有更高的集成度和丰富的功能，是一种集驱动、检测、保护甚至电源功能于一体的即用型 IGBT门级驱动模块，它的应用提高了整机的可靠性，简化了 IGBT的驱动设计，但价格较高，常用于高端场合，Concept公司的Scale系列即属此类。

无论采用上述何种 IGBT驱动方式，通常都要求正负电源双极性供电，原因在于 IGBT不同于MOSFET，其输入电容较大，关断 IGBT时，要施加负偏置栅电压，且其负偏电压要大于MOSFET，通常在-5～-10V范围内，其作用是尽快吸取IGBT器件分布电容内的存储电荷，缩短关断时间，提高IGBT的耐压和抗干扰能力。

2 单电源驱动方式分析

虽然正负双极性电源驱动被普遍采用，但单电源驱动使4路隔离驱动电源设计、调试简化，降低了产品成本，在大量的中小功率驱动应用中，具有明显的优势。

IGBT的单电源驱动是指在驱动电路设计中只提供正电源，驱动信号为正电压时，开启IGBT；驱动信号为0V时，关断IGBT。但在实际工程应用中，由于器件分布参数的存在，使得单电源驱动存在0V时可能无法关断的问题，即当门极驱动切换至 0V时欲使 IGBT关断时，可能出现两种错误状态：由于米勒电容意外开启，由于杂散电感意外开启。以下具体分析此刻IGBT的开关状态。

1）IGBT由于米勒电容意外开启

在桥式电路中，当驱动信号开启 IGBT下桥臂时，上桥臂二极管两端的电压将发生变化，表示为而可以导致产生瞬时电流

并给 IGBT上桥臂的寄生电容充电。寄生电容CCG和 CGE会对电压产生分压作用。图 1表示出流过IGBT上桥臂米勒电容的电流流向。

图1 经过IGBT上桥臂米勒电容的电流流向

电流iCG流过米勒电容、门极串联电阻以及直流母线。当门极驱动电阻上的压降超过IGBT开启阈值电压时，会导致意外开启。而且芯片温度每升高1K，阈值电压便会有几mV的下降。IGBT上桥臂进行开关切换时，电流流过下桥臂米勒电容，同样可能导致下桥臂IGBT意外开启。

2）IGBT由于杂散电感开启

当关断负载电流时，IGBT发射极杂散电感将感应出电压，如图2所示。

图2 发射极电感产生的感应电压

在IGBT-T2关断、IGBT-T1导通后，主电流不再流过续流二极管D2，而是流过其它桥壁的IGBT。二极管的反向恢复电流的变化产生了diC2/dt，这样在IGBT-T2的杂散电感 LσE2两端产生感应电压，此电压导致T2发射极的电势变为负。如果diC/dt较大，产生的感应电压就会高于IGBT的阈值电压，T2将被意外开启。

3 改进后的单电源驱动方式保证IGBT可靠关断

通过电路分析，驱动信号为0V时，IGBT存在意外开启的可能，为此，可以采取以下几种措施防止意外开启发生。

3.1 改变门极驱动电阻

IGBT开启过程中，电压变化率-dvCE/dt和电流变化率diC/dt的大小都受到门极驱动电阻RGon的影响，加大门极驱动电阻，会使电压变化率及电流变化率变小，IGBT开关速度变慢。

减小 RGoff阻值可以防止由于米勒电容引起的意外开启，而加大 RGoff阻值可以防止由于杂散电感引起的意外开启，在实际工程应用中可以根据具体情况权衡考虑，确定合适的门极驱动电阻。

3.2 设置两个门极驱动电阻分别实现IGBT的开启和关断

在工程应用中，使用分离的开启电阻和关断电阻，可以实现较为理想的开关特性。

图3 分离开启电阻和关断电阻

选取 RGoff＜RGon，则可以防止由米勒电容导致的IGBT意外开启。

3.3 在门极与发射极间增加电容以阻止米勒电流

虽然门极与发射极间附加电容CG会影响IGBT的开关切换过程，但该电容可以吸收米勒电容释放出来的额外的电荷。这时IGBT门极的总输入电容为CG||CGE，门极电压要达到开启阈值电压，就需要更多的电荷量。

在某些工程应用场合，若IGBT模块内部门极电阻过小，为了防止振荡，则可以给电容串联一个附加电阻 RS，根据经验附加电容和附加电阻的取值参考下面计算式：

图4 栅极与发射极间附加电容

由于附加电容的存在，使得要求的驱动功率增加，同时依据RGon/off取值的不同，IGBT会有较大的开关损耗。

3.4 用晶体管电路阻止米勒电流（有源米勒钳位）

防止 IGBT意外开启的另外一种方法是将门极与发射极短路，可以通过在门极与发射极间附加晶体管来实现，如图5所示。

在门极驱动信号切换到0V且经过一段延时时间后，晶体管 T导通将门极与发射极短接。肖特基二极管D可以阻止电流从米勒电容流回至门极电阻。

通过设计晶体管电路，在关断 IGBT时短接门极与发射极，设计者以一种可控的方式阻止由米勒电容所产生的电流，从而保证了 IGBT在驱动信号为0V时可靠关断。

4 在小功率无刷直流控制器设计中实现单电源驱动

在5.5kW无刷直流电机控制器设计中，选用了英飞凌公司的IGBT功率模块FP50R060KE3，其内部集成了全桥整流电路和逆变桥6只IGBT开关管，为了实现控制器整体的集成化，简化4路隔离驱动开关电源设计，我们采用了有源米勒钳位的单电源驱动方式，选用了TLP350作为驱动光藕（见图6）。总体来看，该设计方案驱动电路简单，由一个开关电源电路输出4路隔离驱动单电源，进行集中式供电，功率驱动部分结构紧凑，集成度高，体现了设计简单、工作可靠的设计理念。

图6 小功率无刷直流控制器驱动电路设计

5 结论

在小功率IGBT驱动电路设计中，单极性电源驱动方式具有简化设计、降低成本的优势，但也存在可能意外开启的缺点。针对这一问题，本文介绍了几种解决方案，这些方法简单易行，通过适当匹配参数，可以有效地改善IGBT的开关特性，特别是有源米勒钳位电路，可以根据IGBT的特性优化设计参数，具有较高的可靠性。

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