0 引言

    國(guó)際整流器公司（IR）的門驅(qū)動(dòng)器族（MGD）集成了大部分門驅(qū)動(dòng)功能，將用來驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)和低壓側(cè)MOS或IGBT的絕大部分功能都集成在一個(gè)緊湊、高性能的芯片內(nèi)；對(duì)于IR2110，利用自舉或懸浮電源的工作方式，在三相橋式逆變器中采用3片IR2110驅(qū)動(dòng)3個(gè)橋臂只需要1路15 V～20 V電源；這樣，在工程上大大減少了驅(qū)動(dòng)控制電源的數(shù)目，降低了產(chǎn)品成本。但是，IR2110本身存在不能產(chǎn)生負(fù)電壓關(guān)斷的設(shè)計(jì)，因此，容易在橋式電路功率管開通、關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生門極驅(qū)動(dòng)毛刺干擾，造成橋臂直通，損壞逆變器。

    針對(duì)上述IR2110的固有不足，國(guó)內(nèi)有很多方面的研究都試圖完善其驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。在文獻(xiàn)[1]中提出驅(qū)動(dòng)大功率IGBT模塊的柵極電平箝位電路，該電路可在IGBT關(guān)斷期間將驅(qū)動(dòng)電平箝位到零電平，雖然該電路可以大大減少柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的毛刺電壓，但是其關(guān)斷信號(hào)依然采用零電壓關(guān)斷，隨著功率等級(jí)的上升以及在不同電路應(yīng)用中電路雜散參數(shù)的不同，不能保證柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)不受干擾；文獻(xiàn)[2]中對(duì)IR2110通過外接一個(gè)輔助開關(guān)和其他無源器件使得IR2110產(chǎn)生了-5 V關(guān)斷信號(hào)，但是文獻(xiàn)[2]中并沒有就IR2110為何需要負(fù)壓關(guān)斷的原因進(jìn)行分析，缺少相應(yīng)的理論支撐；文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]中對(duì)負(fù)壓關(guān)斷原因進(jìn)行了分析和總結(jié)，并通過對(duì)IR2110外接幾個(gè)無源器件使之生成-5 V關(guān)斷信號(hào)，但是文獻(xiàn)[3]只停留在理論研究上，沒有做出進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)分析與實(shí)驗(yàn)波形。

    為了消除IR2110零電壓關(guān)斷IGBT時(shí)的毛刺干擾，本文著重分析零電壓關(guān)斷毛刺干擾產(chǎn)生原因，最后對(duì)IR2110典型零電壓關(guān)斷電路進(jìn)行改進(jìn)，提出一種帶負(fù)充電泵的IR2110關(guān)斷電路，該電路可有效保證逆變器的工作穩(wěn)定性。

1 IR2110典型驅(qū)動(dòng)電路

    IR2110典型驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示，對(duì)于IR2110的低端驅(qū)動(dòng)來說，直接采用+15 V電源供電，工作頻率沒有具體的限制；而IR2110的高端驅(qū)動(dòng)能量主要依靠VB和VS之間自舉電容C1獲得。當(dāng)高端截止時(shí)，+15 V電源通過二極管D1對(duì)C1充電；當(dāng)高端工作時(shí)，C1放電以維持高端導(dǎo)通；自舉電容的存在使得同一橋臂上、下功率器件的驅(qū)動(dòng)電路只需外接一個(gè)電源。

    為了保證在有限的開關(guān)時(shí)間內(nèi)維持自舉電壓，C1應(yīng)該選擇小一點(diǎn)，因此高端驅(qū)動(dòng)的工作頻率直接與自舉電容充放電情況^[5]相關(guān)。自舉二極管D1也是一個(gè)重要的器件，它的作用是阻斷直流母線電壓對(duì)供電電源+15 V的影響，一般選用漏電流小的快速恢復(fù)二極管。

2 驅(qū)動(dòng)電路干擾分析

    IGBT在全橋電路中工作時(shí)的模型如圖2所示。Rg1、Rg2是柵極驅(qū)動(dòng)電阻，L1、L2是柵極驅(qū)動(dòng)引線電感，C_gc、C_ge、C_ce是IGBT的極間電容，U_ge1、U_ge2分別是全橋上、下管驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，+U為直流母線電壓，L為線路雜散電感（分布電感），S為負(fù)載開關(guān)。

    首先，在S2的柵極加上-7.5 V偏壓（U_ge=-7.5 V）使得S2處于截止?fàn)顟B(tài)，而在S1的柵極加觸發(fā)脈沖；當(dāng)S1處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)閉合負(fù)載開關(guān)S，此時(shí)直流母線+U經(jīng)S1、S、負(fù)載L和R構(gòu)成回路。當(dāng)S1關(guān)斷時(shí)，電路為了維持L上電流方向不變，L上的反電動(dòng)勢(shì)將迫使S1的體二極管D2導(dǎo)通續(xù)流；下一個(gè)觸發(fā)脈沖使得S1再次導(dǎo)通時(shí)并斷開負(fù)載開關(guān)S，測(cè)得I_c為I_rr，它等于二極管D2的反向恢復(fù)電流。如果減少-U_ge2，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)I_c還是等于I_rr；但當(dāng)-U_ge2小于-5 V時(shí)，I_c開始增加(如圖3所示)。如所周知，D2二極管的反向恢復(fù)電流I_rr是一定的，那么增加的這些電流只能由S2上流過。

    原因分析：S2的集電極與發(fā)射極存在固有寄生二極管D2(反并聯(lián))，當(dāng)二極管D2在導(dǎo)通狀態(tài)下，外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，由于PN結(jié)導(dǎo)通時(shí)其兩端存在電荷梯度，PN結(jié)由導(dǎo)通轉(zhuǎn)換為截止時(shí)必須將這些電荷釋放出去，這個(gè)反向恢復(fù)過程將使二極管產(chǎn)生反向恢復(fù)電流(電荷釋放)，從而使IGBT的CE間電壓急劇上升，使得dv/dt迅速增大。由于密勒電容(C_gc)的存在，此dv/dt將在C_gc上產(chǎn)生充電電流I_g(I_g=C_gc dv/dt)。該電流通過柵極電阻、引線電感和驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部構(gòu)成回路形成電壓(如圖2虛線部分)，由于IGBT的最小導(dǎo)通電壓一般在3 V左右，這個(gè)回路電壓極其容易對(duì)IGBT柵極上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生干擾；因此當(dāng)-U_ge2負(fù)壓較大時(shí)，該電壓還不足以使得柵極電位升的太高，而當(dāng)-U_ge2負(fù)壓較小時(shí)，則足以使得S2誤導(dǎo)通，發(fā)生橋臂上、下功率管誤導(dǎo)通現(xiàn)象，從而使得I_c增大。

    由上述可知，IGBT體二極管的反向恢復(fù)過程以及密勒效應(yīng)產(chǎn)生了充電電流I_g，該電流產(chǎn)生了柵極干擾電壓。但是該干擾電壓的幅值與維持時(shí)間由柵-集極和柵-射極間的電容比值、柵極驅(qū)動(dòng)電阻以及集-射極間的dv/dt共同決定。為了滿足IGBT的開關(guān)速度以及電路噪聲條件下保持柵極電壓在安全門限電壓以下，需要對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路提供必要的負(fù)電壓驅(qū)動(dòng)抗干擾電路。

3 帶負(fù)充電泵的驅(qū)動(dòng)電路研究

    通過外部使用負(fù)充電泵生成輔助電壓是一種靈活易用的方法，這種輔助電壓從理論上來說可以是任何正、負(fù)電壓。在如圖4中給出了基本的帶負(fù)充電泵的驅(qū)動(dòng)電路，該驅(qū)動(dòng)電路使用了2個(gè)N溝道MOS和2個(gè)P溝道MOS，位于Q3、Q4柵極之間的R1是作為Q3、Q4的柵極電阻，為了減緩Q3與Q4的導(dǎo)通速率以及限制該驅(qū)動(dòng)電路的擊穿電流；穩(wěn)壓二極管D1是為了減緩Q3、 Q4的驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O電壓。圖4中C2、D2和R2對(duì)N溝道MOS管Q2構(gòu)成電平轉(zhuǎn)換器，而C3、C4、D3和D4構(gòu)成負(fù)充電泵，把輸入零電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為負(fù)電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

    假設(shè)如圖4所示中所有電容的初始狀態(tài)電壓為零，忽略MOS管的導(dǎo)通壓降，且二極管導(dǎo)通壓降為0.7 V。工作原理介紹：

    (1)狀態(tài)1：開關(guān)功率器件未動(dòng)作前，INPUT為低電平0 V，這時(shí)Q1被導(dǎo)通，電源+15 V通過R1以及穩(wěn)壓二極管D1使得Q4導(dǎo)通，此時(shí)該驅(qū)動(dòng)電路零電壓驅(qū)動(dòng)輸出，與輸入電平狀態(tài)保持一致。

    (2)狀態(tài)2：當(dāng)INPUT由低電平0 V變?yōu)楦唠娖?15 V時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)首先通過C3、D4以及C2、R2和C4構(gòu)成的回路進(jìn)行電容充電(如圖4虛線所示)。在C3、D4構(gòu)成的充電回路中，由于D4導(dǎo)通壓降為0.7 V，所以C3在充滿電后維持兩端電壓14.3 V，D點(diǎn)電壓V_d為0.7 V；而在C2、R2和C4構(gòu)成的充電回路中，由于C2兩端電壓不能突變，所以A點(diǎn)電壓（V_a）在輸入電平由低電平0 V變?yōu)楦唠娖?15 V時(shí)刻，Va為15 V，從而使得Q2導(dǎo)通。隨著回路充電過程的繼續(xù)，C4兩端電壓會(huì)逐漸上升至1.4 V，當(dāng)B點(diǎn)電壓Vb為1.4 V時(shí)，則被D3、D4兩個(gè)二極管串聯(lián)箝位，維持1.4 V電壓不變，同時(shí)該回路充電電流路徑變?yōu)椋?/p>

    INPUT +15 V→C2→R2→D3→D4→+15 V RTN

    若持續(xù)保持INPUT+15 V輸入，C2、C4在充滿電后，由于充電回路無電流流動(dòng)，R2兩端電壓保持一致，A點(diǎn)電壓會(huì)從剛開始的15 V逐漸降為1.4 V，且C2兩端電壓保持13.6 V不變。

    由上述可知，由于Q2被導(dǎo)通且C4被D3、D4二極管箝位1.4 V，所以Q2的漏極電壓，也就是C點(diǎn)電壓變?yōu)?.4 V，該點(diǎn)電壓通過穩(wěn)壓二極管D1和R1使得Q3導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)+15 V輸出，與輸入電平狀態(tài)保持一致。

    (3)狀態(tài)3：根據(jù)狀態(tài)2可知，C3兩端電壓為14.3 V，D點(diǎn)電壓為0.7 V，當(dāng)INPUT由+15 V變?yōu)榈碗娖? V時(shí)，由于C3電容兩端電壓不能突變，C3初始電壓為14.3 V，這時(shí)B點(diǎn)電壓Vb保持+1.4 V不變，C4初始電壓為1.4 V。

    在如圖4所示電路中，C4首先通過D3、D4進(jìn)行放電；當(dāng)C4電壓低于1.4 V時(shí)，由于在狀態(tài)三條件下INPUT與+15 V RTN同電位，電路上可認(rèn)為INPUT與+15 V RTN為短路連接狀態(tài)，C4經(jīng)由D3、C3、INPUT以及+15 V RTN進(jìn)行放電和反向充電(如圖5所示)。

    由圖5可知，設(shè)充放電流為i，C4初始電壓=1.4 V，C3初始電壓=14.3 V，C4=100 nF，C3=470 nF，根據(jù)基爾霍夫電壓定律可得：

    所以當(dāng)INPUT由高電平+15 V變?yōu)榈碗娖? V時(shí)，該驅(qū)動(dòng)電路在C3和C4的作用下，使得Q4的漏極電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?12.1 V，從而實(shí)現(xiàn)該驅(qū)動(dòng)電路零電壓輸入，負(fù)壓驅(qū)動(dòng)輸出的目標(biāo)。

    綜上所述，該驅(qū)動(dòng)電路在啟動(dòng)時(shí)，甚至在第一個(gè)周期結(jié)束后，重復(fù)狀態(tài)2和狀態(tài)3，該電路可穩(wěn)定輸出負(fù)電壓關(guān)斷信號(hào)，有效保證逆變器的工作穩(wěn)定性。

4 帶負(fù)充電泵的IR2110實(shí)驗(yàn)分析

    根據(jù)上文帶負(fù)充電泵的驅(qū)動(dòng)電路研究，搭建如圖6所示的實(shí)際電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析。作為對(duì)比，本文也搭建了如圖2所示的IR2110典型驅(qū)動(dòng)電路。

    圖7所示波形是采用IR2110典型驅(qū)動(dòng)電路下逆變器三個(gè)下橋臂IGBT管的柵極驅(qū)動(dòng)電壓波形，圖中所標(biāo)注的就是上橋臂IGBT在死區(qū)時(shí)間后開通時(shí)，由于該驅(qū)動(dòng)電路不具備負(fù)壓關(guān)斷功能，IGBT體二極管反向恢復(fù)過程以及密勒效應(yīng)引起的下橋臂IGBT驅(qū)動(dòng)干擾電壓毛刺。該毛刺干擾電壓容易造成上、下橋臂誤導(dǎo)通現(xiàn)象，破壞逆變器的工作穩(wěn)定性。

    圖8所示波形是采用帶負(fù)充電泵的IR2110驅(qū)動(dòng)電路(如圖6所示)所產(chǎn)生的柵極驅(qū)動(dòng)電壓波形；在IGBT關(guān)斷時(shí)，關(guān)斷電壓信號(hào)由0 V轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的-12 V；而在IGBT開通時(shí)，也維持了原有的+15 V驅(qū)動(dòng)電壓，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了上文的分析過程，并且驅(qū)動(dòng)信號(hào)不存在毛刺干擾現(xiàn)象，從而使得IGBT不會(huì)因柵極干擾電壓而誤導(dǎo)通，保證了整個(gè)逆變器的工作穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

    結(jié)合IGBT體寄生二極管的反向恢復(fù)過程以及IGBT輸入阻抗米勒效應(yīng)，對(duì)IR2110零電壓關(guān)斷毛刺干擾產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，由于IR2110因自身不能產(chǎn)生負(fù)壓，通過外部使用負(fù)充電泵電路，設(shè)計(jì)完成一種帶負(fù)充電泵的IR2110驅(qū)動(dòng)抗干擾電路，該電路經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可有效解決IR2110的零電壓關(guān)斷毛刺干擾現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)效果明顯，從根本上保證了逆變器的工作穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

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