罗 斌，周 红

（1.博世力士乐西安电子传动与控制有限公司，陕西西安710026；2.艾默生网络能源西安有限责任公司，陕西西安710075）

一种改进的单极性IGBT驱动电路

罗 斌1，周 红2

（1.博世力士乐西安电子传动与控制有限公司，陕西西安710026；2.艾默生网络能源西安有限责任公司，陕西西安710075）

单极性IGBT驱动电路结构简单，成本低，却存在换流时射极产生负压引起振荡以及米勒效应引起二次开通等问题，针对以上问题设计了一种基于单极性电源供电的IGBT驱动电源和门极驱动控制电路。采用自举电路给上桥臂驱动供电，通过有源箝位及自举限流等方法来解决换流时IGBT射极的负压问题，采用三极管来分流米勒电流，解决米勒效应引起的的二次误开通问题。实验结果证明了该方法的可行性与正确性。

自举；驱动电路；米勒效应；单极性

1 引言

IGBT在以变频器及各类电源为代表的电力电子装置中得到了广泛应用。高性能的IGBT驱动电路能够减少开关延时，降低开关损耗，使IGBT获得很好的开通和关断性能，对IGBT的可靠运行起到关键作用［1－4］。IGBT 开关时，存在由于桥臂的寄生电感在高的di／dt下引起的电压尖峰和震荡，以及由于米勒效应引起的二次开通现象，可能导致IGBT 桥臂直通，损坏模块［5－6］的致命问题。为解决此问题，一种方法就是采用双极性电源来驱动门极，通过负压来可靠关断IGBT［7］。然而双极性门极驱动需要提供正负电源，成本很高。对于额定电流100A以下的IGBT驱动，由于成本原因，通常不能采用负压关断，因此，设计一种经济性好又具有高可靠性的驱动电路是一个亟待解决的问题。一种经济性好的方案就是采用单电源，上桥驱动采用自举电路供电。然而，单极性自举驱动电路存在由于寄生电感的影响，在换流时会在IGBT射极产生负压引起振荡，加之米勒效应会引起二次开通等为问题。文献［7］、［8］调研了几种门极驱动以及驱动电源的组合来实现双极性的IGBT驱动电路，指出自举技术通过修改可以实现正负双极性供电。文献［9］、10］通过在自举电路中加入Buck－Boost电路实现了负压关断上桥IGBT。这些电路普遍都采用负压进行IGBT关断，增加了电路的复杂性和成本。

本文基于自举技术，设计了一种IGBT驱动电源供电方案和门极驱动电路，采用自举单极性电源供电，通过有源箝位和自举限流等技术解决了传统自举电路的负压问题，通过三极管来分流米勒电流，解决米勒效应问题。电路结构简单，成本低，适用于额定电流100A以下的IGBT驱动。实验结果证明了该方法的可行性与正确性，满足了经济性与可靠性的要求。

2 传统的自举驱动电路

2.1 传统的自举电路原理及不足

如图1所示，该驱动电路采用单极性电源供电，采用16V的单电源给下桥IGBT门极驱动器供电。上桥的IGBT门极驱动器采用自举电路供电，该自举电路包括二极管Dbs和电容Cbs。当下桥IGBT导通时，电流从电源通过二极管Dbs和下桥IGBT给电容Cbs充电。当下桥IGBT关闭时，上桥的IGBT门极驱动器由电容Cbs供电。当上桥IGBT导通时，二极管Dbs被阻断。这种单电源的自举电路结构简单，成本较低，但是存在一些缺点。

图1 传统的自举电路

如图2所示，当上桥的IGBT关断时，负载的电流会瞬间切换至下桥的续流二极管进行续流，由于桥臂寄生电感的存在，Vs端（C点）会感应出负压。

负压幅值的大小取决于寄生电感的大小和开关速度及dic／dt。负压的幅值如果明显，会产生严重的后果。一方面，VS端产生负压会引起自举电容过压。因为电源16V的参考地是GND，自举电容两端的电压VBS等于16V减去Vs端的负压：

负压越大，自举电容两端承受的电压就越高。另一方面，如果负压的值超过驱动IC的限值，将会引起驱动芯片损坏，由于C点的电压变为负压，这样上管的门极驱动电压VGS＝B－C，如果这一电压超过IGBT的开通门限电压，就会使得上桥的IGBT误导通，引起桥臂直通，如图3所示。因此，当上桥的开关关断时，VS端的负压是传统自举电路的一个缺陷。

图2 上管关断时Vs端产生负压

图3 上管关断时的波形

2.2 米勒效应引起的IGBT误开通

当开通上桥IGBT Q1时，下桥的IGBT Q2电压会产生一个dVCE／dt，通过Q2的寄生的米勒电容CCG会形成一个电流，该电流流经驱动电阻RG以及驱动芯片内部电阻RDRV接地。图4所示显示了电流通过米勒电容的路径。这个电流可以通过公式（4）计算：

这个电流会在驱动电阻上产生压降：

当这个压降超过了IGBT开通的门限电压时，就会产生误开通，导致桥臂直通，损坏IGBT模块。

同样的原理，当下桥IGBT Q2开通时，这种寄生的误触发同样会发生在上桥IGBT Q1上。

图4 米勒效应引起的下桥IGBT误开通

为了抑制米勒效应，通常采用负压来进行关断IGBT，然而，传统的自举电路无法提供负压，因此，传统的自举驱动电路如何来克服由于米勒效应引起的误开通也是一个亟待解决的问题。

3 改进的自举驱动电路

3.1 改进的自举电路

为了克服传统自举电路的不足，一种改进的方案，就是串联一个小的电阻Rbs给自举二极管Dbs，通过电阻限流防止充电电流过大损坏自举电容Cbs，此方法在一定程度上能够缓解由于VS端的负压造成的影响。再在自举电容两端并联一个24V／1W齐纳二极管DZ，防止电压浪涌损坏自举电容。进一步在GND和VS之间添加一个低管压降的肖特基二极管DS，这个二极管实际上是并联在下管的IGBT和寄生电感LS2两端。当上管Q1关断时，在LS2两端感应出的负压被肖特基二极管DS箝位。再在VS和Vout输出端添加一个电阻RVS，RVS不仅可以起到自举限流电阻的作用，还可以起到IGBT的门极开通电阻的作用。同时电阻RVS也是肖特基二极管DS的限流电阻。

图5 改进的自举电路

式中，RBOOST为叠加后的自举限流电阻，RON为叠加后的门极开通电阻。

3.2 改进的自举电路中器件的选型

3.2.1 自举电容的选型

每当下桥的IGBT开通时自举电容被充电，当下桥关断，上桥开通时自举电容放电，自举电容用来给上桥驱动供电。因此，自举电容首先要保证的就是当上桥开通时，电容两端的电压降不能低于驱动允许的最小值。假如VGSMIN是IGBT的最小驱动电压，电容两端的电压降约为：

式中，VDD为驱动电源电压；VF为自举二极管的压降；VD为极二极管的压降。自举电容的容量为：

这里QTOTAL是IGBT总的充电量。

在本课题中

考虑到陶瓷电容有直流偏置，选取CBOOT容量为10uF。

3.2.2 限流电阻的选型

当添加了限流电阻以后，会在电阻上产生一个压降：

式中，ICHARGE为自举充电电流；RBOOST为限流电阻；tCHARGE为自举电容充电时间（下桥的开通时间）。

电阻的加入会增加充电的时间常数，因此，需要综合考虑足够的充电时间以及允许的电压降，自举电阻包括Rbs和RVS两部分，充电的时间常数可以从下式来得到：

本课题中 Rbs＝5Ω，RVS＝5Ω。

3.3 改进的IGBT门极驱动电路

选择合适的门极电阻RG对IGBT的驱动相当重要。RG较小，栅射极之间的充放电时间常数比较小，会使开通瞬间电流较大，从而损坏IGBT；RG较大，有利于抑制dVce／dt，但会增加IGBT的开关时间和开关损耗。米勒电流会在驱动电阻上产生压降，电阻值越大，压降就越大。为了减少米勒电流引起的压降，需要选取较小的驱动电阻。因此IGBT门极电阻的选值需要综合权衡。

图6 采用三极管来分流米勒电流

一种改进的门极驱动电路如图6所示，IGBT开通和关断时的驱动电流路径如图所示。开通时，驱动电流流经驱动电阻RG和RVS；关断时的电流路径，采用一个三极管T来分流米勒电流，当T1关断时，由于米勒效应，门极的电位会略有升高，这样三极管T会导通，将三极管基极和射极短路，为米勒电流提供了一个通道。二极管D阻止了米勒电流流向驱动电阻和驱动芯片，有效地防止了米勒电流在门极电阻上产生的电压尖峰。

4 实验

将改进的自举驱动电路用于三相低压变频器中。变频器的主要参数为：输入电压380V－480V，输出电压0V－480V，输出功率为4kW，载波频率fsw＝6kHz。IGBT模块选用Miniskiip2 PIM1200V／25A，该模块输入电容0.25nF，门极充电容量为120nc。自举电容Cbs容量为10uf，电阻 Rbs＝5Ω，Rvs＝5Ω，自举二极管选用SF1600。RB＝20Ω，RE＝20Ω，RG＝51Ω。图 7（a）和图 7（b）为传统的自举驱动电路中IGBT的驱动波形，图7（c）和图7（d）为改进后的驱动电路中IGBT的驱动波形。图7（a）是上桥IGBT关断过程和下桥IGBT开通的过程的波形，上桥的门极驱动电压波形上有一个二次上升的电压尖峰，峰值达9V，脉冲持续时间为200ns。图7（b）为下桥IGBT关断过程和上桥IGBT开通过程的波形，下桥的门极驱动电压波形上有一个二次上升的电压尖峰，峰值达5.4V，脉冲持续时间为200ns，这个幅值已经高于IGBT开启的最低门限电压，存在桥臂直通的风险。图7（c）为改进的电路中上桥IGBT关断过程和下桥IGBT开通的过程的IGBT的门极驱动波形Vge，上桥IGBT的Vge波形仍然存在一个电压尖峰，但是最高峰值仅为1.4V，整个脉冲持续时间仅为90ns。图7（d）为改进的电路下桥IGBT关断过程和上桥IGBT开通的过程的波形，下桥IGBT的Vge波形仍然存在一个电压尖峰，但是最高峰值仅为1.7V，整个脉冲持续时间仅为80ns，远远低于IGBT开通门限电压，所以不会引起桥臂直通，使用安全可靠。

图7 电驱动电路波形图

5 结束语

本文在分析传统单极性自举驱动电路存在的问题的基础上，提出一种改进的单极性自举驱动电路。试验和测试结果表明，改进的电路能够解决传统电路中存在的问题。该方案适用于100A以下的功率模块的驱动，结构简单、经济性好，具有较好的实用价值。

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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

罗 斌（1982－），男，硕士，工程师，主要研究方向为工业自动化控制与电力电子技术。

周 红（1982－），女，硕士，工程师，主要研究方向为电气工程与工业自动化控制。

2016－07－11