浅谈IGBT自举的驱动方式

发布时间：2012-03-23 10:00 类型：技术前沿 286人浏览

自举悬浮驱动电源大大简化了驱动电源设计，只用一路电源即可以完成上下桥臂两个功率开关器件的驱动驱动电路的抗干扰技术 一、电平箝位

自举驱动电路不能产生负偏压，如果用于驱动桥式电路，在半桥电感负载电路下运行，处于关断状态下的IGBT由于其反并联二极管的恢复过程，将承受集电极-发射极间电压的急剧上升。此静态的du/dt通常比IGBT关断时的上升率高。由于电容密勒效应的影响，此du/di在集电极-栅极间电容内产生电流，流向栅极驱动电路。如图1-1所示。虽然在关断状态下栅极电压UGE为零，由于栅极电路的阻抗（栅极限流电阻RG、引线电感LG），该漏电流使UGE增加，趋向于UGE(th)。最恶劣的情况是使该电压达阀值电压，该IGBT将被开通，导致桥臂短路。驱动电路输出阻抗不够小，沿栅极的灌入电流会在驱动电压上加上比较严重的毛刺干扰。

针对自举电路的不足，在实际应用中需对输出驱动电流进行改进，其改进方法是在栅极限流电阻上反并联一个二极管，但此方法在大功率下效果不太明显。对于大功率IGBT，可采用图2-2所示的电路，在关断期间将栅极驱动电平箝位到零电平。在桥臂上管开通期间，驱动信号使VT1导通、VT2截止。上管关断期间，VT1截止，VT2基极呈高电平而导通，将上管栅极电位拉到低电平（三极管的饱和压降）。这样，由于电容密勒效益产生的电流从VT2中流过，栅极驱动波形上的毛刺可以大大减小。下管同理。

二、负压驱动电路

在大功率IGBT驱动电路设计而中，各路驱动电源独立，集成驱动电流一般都有产生负压的功能，在IGBT关断期间在栅极上施加负电压，一般为-5V。其作用也是为了增强IGBT关断的可靠性，防止由于电容密勒效益而造成IGBT误导通。自举电路无这一功能，但可以通过加几个无源器件来实现负压的功能，如图3-3所示。在上下管驱动电路中均加上由C5和C6以及5V稳压管ZD1和ZD2组成的负压电路，其工作原理为：电源电压VCC为20V，在上电期间，电源通过R1给C6充电，C6上保持5V的电源。在下桥驱动光耦工作时， 下桥驱动光耦引脚5输出20V高电平，这时加在下管S2栅极上的电压为20V-5V=15V，IGBT正常导通。当下桥驱动光耦不工作时，下桥驱动光耦引脚5输出0V，此时S2栅极上的电压为-5V,从而实现关断时所需的负压。对于上管S1，在上桥驱动光耦工作时，上桥驱动光耦引脚5输出20V电压，加在S1栅极上的电压为15V。在上桥驱动光耦不工作时，上桥驱动光耦引脚5端输出为0V，S1栅极电压为-5V。由于IGBT为电压型驱动器件，所以负压电容C5和C6上的电压波动较小，维持在5V，自举电容上的电压也维持在20V左右，只在下管S2导通的瞬间有一个短暂的充电过程。IGBT的导通压降一般小于3V，负压电容C5的充电在S2导通时完成。对于C5、C6的选择，要求其容量大于IGBT栅极输入寄生电容Ciss。自举电容充电电路中的二极管VD1必需是快恢复二极管，应留有足够的电流裕量。

三、变频运行时自举电容的充放电

自举电容(C1)的从电时序 （1）:IGBT2导通（图4-4）

当IGBT2处于导通状态时，C1上的充电电压VC1可通过下式计算； VC1=VCC-VF1-Vsat2-ID*R2（过度过程） VC1=VCC（稳定状态）

此处VCC为控制电源电压，VF1为二极管D1的顺方向压降，Vsat2为IGBT2的饱和压降 然后，IGBT2被关断，此时上下桥臂同时处于关断状态，电机电流通过FWD1进入续流模式。当VS处电位上升至接近P处电位时C1停止充电。 当IGBT1

处于导通状态时，由于驱动电路要消耗电流，所以C1上的电压将从VC1开始逐渐下降。（如 图5-5）

（2）：IGBT2关断FWD2导通状态时

当IGBT2关断FWD2导通时，C1上的充电电压VC1可通过下式来计算： VC1=VCC-VF1+VEC2

此处VEC2为FWD2的顺方向下压降,IGBT2和IGBT1都关断时，通过FWD2保持续流模式。因此，当VS处的电位下降到VEC2时，C1开始充电以恢复其下降的电位。当VS处电位上升至接近P电位水平时，C1停止充电。其后，IGBT1再次导通时，由于驱动电路要消耗电流，C1上的电压将从VC1(2)电位开始逐渐下降。

四、自举电容及栅极限流电阻的选取

自举电容由一个大电容和一个小电容并联组成，在频率为20KHz左右的工作状态下选用1uF的电容和0.1uF的电容并联使用。并联高频小电容用来吸收高频毛刺干扰电压。主电路上管的驱动电压波形峰顶不应出现下降的现象。驱动大容量的IGBT器件时，在工作频率较低的情况下要注意自举电容电压稳定性问题，故应选用较大容量的电容。

选择适当的栅极限流电阻对IGBT驱动来说相当重要，因为IGBT的开通和关断是通过栅极电路的充放电来实现的，所以栅极电阻将对IGBT的动态特性产生极大的影响。数值较小的栅极电阻使栅极电容的充放电较快，从而减小开关时间和开关损耗。同时较小的栅极电阻增强了IGBT器件的耐固性，避免du/dt带来的误导通，但与此同时它只能承受较小的栅极噪声，并导致栅极-发射极之间的电容同驱动电路引线的寄生电感产生振荡问题。另外，较小的栅极电阻还使得IGBT开通时di/dt变大，会导致较高的du/dt，增加了反向恢复二级管的浪涌电压。在低频应用情况下，开关损耗不成为一个重要的考虑因素，栅极电阻增大可以提供较慢的开通速度，这时应当考虑栅极的瞬态电压和驱动电流。对于不同容量的IGBT，其栅极限流电阻有不同的取值。一般是功率越大的IGBT的栅极电阻越小，同时对栅极驱动电路的布线也有严格要求，引线电感应尽可能小。在实际应用中应根据具体的情况作调整，选取最合适的值。

采用自举驱动电路设计IGBT驱动电路时，应根据具体的应用情况采用不同的抗干扰措施

自举式2ED020I12-F芯片在IGBT驱动电路中的应用

1 引言

随着电力电子技术的发展，各种开关器件如power mosfet、igbt（绝缘栅双极晶体管）等功率开关器件得到越来越广泛的应用，同时各种开关器件的驱动芯片也同样得到了高度的重视。目前大多数的驱动集成电路采用直接驱动或隔离驱动的方式。隔离驱动的集成驱动芯片，如exb841系列、tlp250等，这种芯片的特点是只能驱动单个功率管，且每路驱动都要一组独立的电源，增加了电源电路和驱动电路设计的复杂性。德国英飞凌公司生产的2ed020i12-f驱动芯片是一种双通道高压、高速电压型功率开关器件栅极驱动器，具有自举浮动电源，驱动电路简单，单片2ed020i12-f驱动芯片可同时驱动逆变电路上下桥臂，三相桥式逆变电路仅用一组电源即可。使用2ed020i12-f驱动芯片可以减小装置体积，降低成本，提高系统的可靠性。

2 2ed020i12-f驱动芯片的内部结构和特点

2ed020i12-f芯片内部结构如图1所示，其中包括：逻辑逻入、电平转换、欠电压保护、无核心变压器（clt），一个通用运算放大器和一个通用比较器。

芯片采用上下桥臂分别独立供电，当vsh和vsl两端电压均在13v~18v之间时，驱动芯片正常工作，当两端电压低于11v时，芯片内部启动欠电压保护；逻辑输入端采用施密特触发电路，提高抗干扰能力，输入逻辑电路与3.3v和5v的ttl电平兼容；当/sd引脚为低电平时，inh和inl封锁脉冲，模块关闭信号输入；当inh和inl同时为高电平时，模块自动检测到逻辑错误，关闭驱动芯片输出。通用的运算放大器和比较器可以用于逆变桥下桥臂igbt的电流检测。

为了保证信号传输时上下桥臂各通道相对独立，在芯片内部上桥臂端引入一个微小无核心变

压器（clt）作为上桥臂和下桥臂之间的电气屏蔽层。信号在无核心变压器（clt）一侧通过专门的编码发射器发送，在另一侧以相应的接收器恢复。通过这种方式，由gndh（dvgndh/dt或磁通量（dφ/ dt）的变化而产生的emi可以得到很好抑制。为了补偿发射器传输、无核心变压器和接收器所产生的传输延迟，在下桥臂引入了一个专用的传播延迟（delay）。这种无核心变压器的隔离方式不仅集中了光耦隔离和集成电平位移等方法的优点，而且避免了缺点。提供了可靠的电气隔离并且保证了输入输出信号的传输。

图1 2ed020i12-f内部结构

图2 带外部保护的驱动电路

3 2ed020i12-f驱动芯片典型电路工作原理

2ed020i12-f驱动芯片的最大开关频率可以稳定的达到60khz，所以它既可以驱动igbt，又可以驱动场效应管mosfet。所以2ed020i12-f驱动芯片的应用领域非常广泛，可以用于各种中小功率逆变电源，中小功率变频器以及电机马达的驱动电路中。 3.1 自举电路的设计

自举电路也叫升压电路，通常由二极管和电容组成，利用自举升压电容存储电压，自举升压二极管防止电流倒灌，使电容放电电压和电源电压叠加，从而使电压升高。

自举二极管主要用于阻断直流干线上的高压，二极管承受的电流是栅极电荷与开关频率之

积。为了减少电荷损失，应选用反向漏电流小的快恢复二极管（高频二极管），例如in4148、fr107等。

自举电容的选择比较关键，下桥臂导通时给电容充电，当上桥臂导通时电容依靠自身存储的能量维持上桥臂栅极为高电平。如果电容选取的过大，可能使下桥臂关断时电容两端还没有达到要求的电压；而电容选择较小则会导致电容存储的能量不够维igbt持栅源电压在上桥臂导通时间内为定值。有可能的话最好选择非电解电容，且电容应尽可能的靠近芯片。有公式（1）计算所得的自举电容的值具有足够的稳定性。

（1）

式中：qg—门级电荷； iq—驱动器静态电流； il—电解电容的漏电流； fs—开关频率； vdd—电源电压；

vf—自举二极管正向导通电压； vce—igbt下桥臂集射级电压差。

一般情况下为保证自举电容将栅源电压持续一段时间，选电容容值为其最小值的10倍左右。 低端驱动器能够耦合中等功率变换器的接地波动。但是，这里要求电路板上驱动芯片的gnd引脚和gndl引脚必须以尽可能短的线连接，可以减小由于接点波动引起的压降。 3.2 电流检测电路 在变频调速系统中，电流检测电路常用来在电动机系统短路或者过电流是进行保护，可见在一个变频调速系统中电流检测是尤为重要的。2ed020i12-f驱动芯片本身具有一个通用运算放大器和一个通用电压比较器，可以很容易得到一个过电流检测的电路。首先通过采样电阻rsh将电流信号转换成电压信号，通过r3、c7组成的rc滤波电路将电流检测信号vin送入运算放大器的正向输入端(op+)，运放输出： vop=（1+r6/r5）vin （2）

这里要求运放的放大倍数至少为10，运放才能取得比较好的放大效果。一般取r6=10r5。电流检测信号经运放放大后输入通用比较器的正向输入端，通用比较器的负向输入端外接一个参考电压，当比较器的正向输入电压小于负向输入电压时，比较器输出为低电平，比较器输出与芯片的/sd引脚相连，/sd为低电平有效，此时为非过流状态，2ed020i12-f正常工作；当比较器的正向输入电压大于负向输入电压时，比较器输出为高电平，/sd无效，2ed020i12-f芯片启动内部保护功能，封锁输出脉冲，outh和outl端口均无驱动信号输出，上下桥臂igbt均关断，变频调速系统停机不工作，从而起到保护的效果。 3.3 负压电路

在大功率igbt的驱动场合，驱动芯片各路电源相互独立，集成驱动芯片一般都有产生负压的功能，即在igbt关断时在igbt的栅极加负电压，一般为-5v或-8v。作用是为了增强igbt关断的可靠性，防止由于密勒效应而造成的igbt误导通。2ed020i12-f驱动芯片本身并不具备产生负压的功能，但是可以通过几个简单的无源器件构成一个产生负压的电路。

如图2所示，在上下桥臂的驱动电路中加上一个由电容和5v稳压管并联组成的负压电路。工作原理为，电源电压为18v，电源通过电阻r7给电容c6充电，电容c6两端电压为+5v。

当inl输入为高电平时，outl输出为高电压18v，这时加在下桥臂q2栅极上的电压为18v-5v=13v，igbt正常道通。当inl输入为低电平时，outl输出为0v，此时栅极上的电压为－5v，实现了关断时产生负压。同理对于上桥臂，当inh为高电平时，outh输出为18v，加在q1栅极上的电压为13v；当inh为低电平时，outh输出为0v，q1栅极电压为-5v。由于igbt为电压型驱动器件，所以电容c5、c6上的电压波动较小，基本维持在5v不变，自举电容上的电压也维持在18v，只有在下桥臂q2导通的瞬间有一个很短暂的充电过程，电容c5的冲充电过程也在此时完成。这里电容c5、c6一般要大于igbt栅极的栅极输入的寄生电容。此负压电路与一般带负压的驱动芯片产生负压的原理相同，直流母线上会叠加5v的直流电压。 3.4 其它抗干扰措施 在inh、inl、/sd引脚信号输入端分别各接一个680pf的旁路电容，电容里驱动芯片要尽量近，这样可以有效的去处输入信号中的干扰。通过合理布线、降低器件安装高度等减小寄生参数，采用增加自举电容、给自举二极管串接一个电阻等方式改善局部退耦，可以减小gndh脚瞬间负偏压。

图3 2ed020i12-f驱动芯片输出pwm信号

图4 带负载时变频电源输出波形图 4 应用示例

在小功率逆变电源的设计中，用2ed020i12-f驱动芯片组成逆变桥igbt的驱动电路。当逆变电源开始工作时，如图3所示为驱动芯片输出的pwm信号，图4为变频电源输出波形（为测量方便，这里取变频电源输出电压实际值的1/4）。

实验结果表明，当输入电压幅值在330v~480v变化时，负载由0~8a变化的各种情况下，输出电压为vo=220v，误差保持在5%内。由以上波形可以看出，在带负载的情况下，变频电源交流输出波形稳定，说明由2ed020i12-f驱动芯片组成的驱动电路工作正常。 5 结束语

集成功率驱动芯片2ed020i12-f具有优良的驱动性能，扩展性好，可同时驱动同一桥臂的上下两个开关器件，极大的简化了igbt等开关器件的驱动电路的设计，提高系统的可靠性。 作者简介

李玉锋（1982-） 男 广东工业大学自动化学院控制理论与控制工程硕士研究生，主要研究方向是现代自动化装备与控制技术。 参考文献

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