CN103683883A

CN103683883A - 一种单电源供电抑制igbt米勒电容效应的电路

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Publication number: CN103683883A
Application number: CN201310652644.4A
Authority: CN
Inventors: 单升华
Original assignee: BEIJING ACHIEVEMENT TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: BEIJING ACHIEVEMENT TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-12-05
Filing date: 2013-12-05
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-12-05
Also published as: CN103683883B

Abstract

本发明公开了一种单电源供电抑制IGBT米勒电容效应的电路，包括IGBT驱动部分的单电源供电***（1）、抑制IGBT米勒电容效应的MOSFET钳位电路拓扑结构（2），所述MOSFET钳位电路拓扑结构（2）包括第一N沟道MOSFET管（Q1）、第二N沟道MOSFET管（Q2）、第一N沟道MOSFET管（Q1）的栅极电阻（R6）、第二N沟道MOSFET管（Q2）的栅极电阻（R7），第一电阻（R5）、第二电阻（R8）、驱动信号电容（C52），下拉电阻（R8），本发明有效抑制由于米勒电容效应引起的IGBT误导通现象，大大降低IGBT的损耗，延长IGBT的使用寿命，对低压小功率变频器的可靠运行提供保障。

Description

一种单电源供电抑制IGBT米勒电容效应的电路

技术领域

本发明应用于几个千瓦以下小功率工业或民用电气传动领域，涉及对由于IGBT所固有的米勒电容效应可能引起IGBT误导通而发明的电路拓扑结构和实施方法。

背景技术

由于小功率工业或民用电气传动领域对产品成本的敏感性及设计的简便性、体积的苛刻性，在小功率变频器或伺服控制器IGBT驱动中通常采用单电源供电技术（小功率中一般采用单电源供电，如果采用双电源供电，米勒电容效应依然存在，但不会造成短时直通现象），由于IGBT米勒电容效应的存在，如果不采取任何措施，不可避免地会出现逆变器上下桥臂几十到几百纳秒的短时直通现象，虽然短时间内不会带来致命的影响，但是这种现象会导致IGBT开关损耗显著增加，引起更大的热循环应力，严重影响IGBT的使用寿命,降低逆变器的效率的同时对散热提出了更高的要求。为解决这一问题，现有技术有两种：其一是通常采用的方法，通过加大IGBT栅极驱动电阻和栅极、发射极之间并联电容等简单方法来改善由于米勒电容效应带来的误导通风险；其二是采用PNP或者NPN三极管的方法。

现有方法一的技术优点是：结构简单，价格便宜。缺点是：只能降低因米勒电容效应引起的误导通风险，并不能消除短暂的误导通现象，参见附图5，CH1为上桥臂驱动电压波形，该波形由高缓慢变到低（约1.5μs）时，上桥臂已关断，由此可看出图5中IGBT的栅极已经采用了方法一加大栅极电阻和电容，但是当下桥臂的IGBT开通时，上桥臂的CE之间产生很大的du/dt，该du/dt信号经过米勒电容效应耦合到上桥臂的栅极与发射极之间，由于采用了方法一在栅极、发射极之间并联了电容，通过米勒电容效应耦合过来的du/dt信号将给该并联电容充电，从而因该并联电容的存在降低了米勒电容效应电压，或者说该并联电容吸收了部分米勒电容效应能量，因此降低了米勒电容效应引起的误导通风险。但是该并联电容吸收的能量有限，依然不能消除短暂的误导通现象，图5中的CH4可以看到很明显的误导通电流，峰值约2A，事实上不能无限地增加此电容的容值，因为这将会导致更大的驱动延时（图中的约1.5μs延时将会变得更长），加大开关损耗，从而影响电机的控制性能，这也是我们不希望看到的。

现有方法二在一些论文中有提及，但是实际应用中未见到，通过实际测试，方法二由于采用PNP或NPN三极管，其响应速度无法满足米勒电容效应带来的几十到几百纳秒的干扰脉冲，经实际测试对米勒电容效应起不到任何抑制效果。因此没有实际应用价值。

发明内容

发明目的：提供一种简单、快速且价格低廉的拓扑电路结构，有效抑制由于米勒电容效应引起的逆变器单电源供电驱动电路中IGBT误导通现象，降低IGBT的损耗，延长IGBT的使用寿命，对低压小功率变频器的可靠运行提供保障。

技术方案：一种单电源供电抑制IGBT米勒电容效应的电路，包括IGBT驱动部分的单电源供电***1、抑制IGBT米勒电容效应的MOSFET钳位电路拓扑结构2，

所述单电源供电***1可以是逆变器的各桥臂驱动电源均由开关电源独立提供，比如：对于三相逆变器，开关电源给三相逆变器下桥臂提供一个独立的正15V公共驱动电源，给三相逆变器上桥臂各提供一路正15V驱动电源，这种方式开关电源给三相逆变器共提供4路互相隔离的单极性驱动电源，参见图1；

所述单电源供电***1还可以是开关电源给逆变器的驱动只提供一路单极性电源，该电源直接给逆变器的下桥臂IGBT提供驱动，上桥臂的各IGBT驱动电源均通过Boost方式获得，参见图2；

所述MOSFET（中文全称是金属氧化物半导体场效应晶体管，简称金属半场效晶体管或MOSFET）钳位电路拓扑结构，包括第一N沟道MOSFET管Q1、第二N沟道MOSFET管Q2、第一N沟道MOSFET管Q1的栅极电阻R6、第二N沟道MOSFET管Q2的栅极电阻R7，第一电阻R5、第二电阻R8、驱动信号电容C52，下拉电阻R8，其特征在于：

逆变器中的IGBT上桥臂驱动光耦U1的驱动信号通过第一电阻R5直接作用到IGBT的栅极，第一N沟道MOSFET管Q1的栅极通过第二电阻R6与光耦 U1的输出端相连，第二N沟道MOSFET管Q2的门极通过其栅极电阻R7与IGBT驱动电源的正极相连，第一N沟道MOSFET管Q1的漏极与第二N沟道MOSFET管Q2的栅极直接相连，第一N沟道MOSFET管Q1的源极与第二N沟道MOSFET管Q2的源极直接连接到单电源供电的地U-网络上；

所述下拉电阻R8与驱动信号电容C52并联，单电源供电***1的第一滤波电容C1、第二滤波C2并联，均为一端与单电源供电***1的正极U+相连，另一端与单电源供电***1的地U-相连；所述下拉电阻R8防止IGBT栅极静电击穿，所述驱动信号电容C52防止IGBT其他干扰误导通。

结构参见附图3，原理简述如下：

以逆变器中的U相IGBT上桥臂Q3为例，当上桥臂IGBT驱动光耦U1发出导通IGBT的高电平信号时，第一N沟道MOSFET管Q1导通，第二N沟道MOSFET管Q2的栅极被钳位到低电平从而使第二N沟道MOSFET管Q2关断截止，高电平驱动信号通过第一电阻R5直接作用到IGBT的栅极，从而正确导通该IGBT；随后当上桥臂IGBT驱动光耦U1发出关断IGBT的低电平信号时，第一N沟道MOSFET管Q1截止，由于第二N沟道MOSFET管Q2的栅极通过其栅极电阻R7与IGBT驱动电源的正极相连，此时第二N沟道MOSFET管Q2立即进入导通状态，此过程中，上桥臂IGBT的集电极和栅极CG之间的寄生电容C3两端的电位与直流母线正电位基本相同，当下桥臂的IGBT导通时，上桥臂的IGBT集电极和发射极之间产生很高的du_CE/dt（即IGBT的集电极和发射极之间的电压变化率），由于上桥臂IGBT米勒电容的存在，该du_CE/dt将会通过米勒电容在上桥臂的栅极产生几十到几百纳秒的干扰脉冲，但是由于第二N沟道MOSFET管Q2已提前处于导通状态，给该干扰脉冲提供了一条低阻抗泄放通道，从而抑制了该干扰脉冲的幅值，经实际测试，此时上桥臂栅极电压被抑制在3V以内（参见附图4，CH1是代表上桥臂栅极电压），低于栅极阈值电压V_GEth（以德国Infinion公司生产的型号为FP10R12W1T4的IGBT为例，V_GEth典型值为5.8V，最小值为5.2V，最大值为6.4V），从而有效抑制IGBT的误导通；

抑制米勒电容效应的MOSFET嵌位电路拓扑结构，除抑制米勒电容效应作用外，当逆变器发生短路或漏电等大电流过流保护而快速关断IGBT时，由于IGBT模块内主回路寄生电感的存在，将会产生很高的-Ldi/dt（L是主回路寄生电感，di/dt是代表快速关断IGBT造成的电流变化率，负号表示寄生电感产生的感应电压符号与电流变化率相反），该信号也会耦合到IGBT的栅极可能导致本已保护关断的IGBT被重新导通，但是由于本抑制米勒电容效应的MOSFET嵌位电路的存在，这一信号也会和米勒电容效应信号一样得到有效抑制。

本发明的优点和有益效果：本发明通过MOSFET嵌位电路拓扑结构，有效抑制由于米勒电容效应引起的IGBT误导通现象，大大降低IGBT的损耗，延长IGBT的使用寿命，且电机的控制性能不会因为增加了抑制米勒电容效应的MOSFET嵌位电路而受到任何影响，对低压小功率变频器的可靠运行提供保障。

附图说明

图1是开关电源提供四路互相隔离的单电源供电***；

图2是开关电源提供一路单电源供电***；

图3是本发明中MOSFET钳位电路拓扑结构；

图4是本发明MOSFET钳位电路抑制效果波形；

图5是采用常规加大IGBT栅极驱动电阻和栅极、发射极之间并联电容的抑制效果波形。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

一种单电源供电抑制IGBT米勒电容效应的电路，包括IGBT驱动部分的单电源供电***1、抑制IGBT米勒电容效应的MOSFET钳位电路拓扑结构2。

所述单电源供电***1可以是逆变器的各桥臂驱动电源均由开关电源独立提供，比如：对于三相逆变器，开关电源给三相逆变器下桥臂提供一个独立的正15V公共驱动电源，给三相逆变器上桥臂各提供一路正15V驱动电源，这种方式开关电源给三相逆变器共提供四路互相隔离的单极性驱动电源，参见附图1，其中+U和OU为U相上臂单极性驱动电源，+V和OV为V相上臂单极性驱动电源，+W和OW为W相上臂单极性驱动电源，+L和OL为三相下臂单极性驱动电源；

所述单电源供电***1还可以是开关电源给逆变器的驱动只提供一路单极性电源，该电源直接给逆变器的下桥臂IGBT提供驱动，上桥臂的各IGBT驱动电源均通过Boost方式获得，参见附图2；

逆变器中的IGBT上桥臂驱动光耦U1的驱动信号通过第一电阻R5直接作用到IGBT的栅极，第一N沟道MOSFET管Q1的栅极通过第二电阻R6与光耦U1的输出端相连，第二N沟道MOSFET管Q2的门极通过其栅极电阻R7与IGBT驱动电源的正极相连，第一N沟道MOSFET管Q1的漏极与第二N沟道MOSFET管Q2的栅极直接相连，第一N沟道MOSFET管Q1的源极与第二N沟道MOSFET管Q2的源极直接连接到单电源供电的地U-网络上；

结构参见附图3，原理简述如下：

以逆变器中的U相IGBT上桥臂Q3为例，当上桥臂IGBT驱动光耦U1发出导通IGBT的高电平信号时，第一N沟道MOSFET管Q1导通，第二N沟道MOSFET管Q2的栅极被钳位到低电平从而使第二N沟道MOSFET管Q2关断截止，高电平驱动信号通过第一电阻R5直接作用到IGBT的栅极，从而正确导通该IGBT；随后当上桥臂IGBT驱动光耦U1发出关断IGBT的低电平信号时，第一N沟道MOSFET管Q1截止，由于第二N沟道MOSFET管Q2的栅极通过其栅极电阻R7与IGBT驱动电源的正极相连，此时第二N沟道MOSFET管Q2立即进入导通状态，此过程中，上桥臂IGBT的集电极和栅极CG之间的寄生电容C3两端的电位与直流母线正电位基本相同，当下桥臂的IGBT导通时，上桥臂的IGBT集电极和发射极之间产生很高的du_CE/dt（即IGBT的集电极和发射极之间的电压变化率），由于上桥臂IGBT米勒电容的存在，该du_CE/dt将会通过米勒电容在上桥臂的栅极产生几十到几百纳秒的干扰脉冲，但是由于第二N沟道MOSFET管Q2已提前处于导通状态，给该干扰脉冲提供了一条低阻抗泄放通道，从而抑制了该干扰脉冲的幅值；

在一个具体实施例中，采用的是两只N沟道MOSFET管，其漏源电压V_DSS大于60V，栅源电压V_GS不小于20V，为尽量不影响从光耦输出的开通信号到IGBT的栅极延迟时间，第一N沟道MOSFET管Q1的栅极电阻R6阻值取100欧姆，第二N沟道MOSFET管Q2的栅极电阻R7不宜过小，否则当第一N沟道 MOSFET管Q1导通时，R7上将消耗过大的驱动电源功率，尤其是采用第二种单电源供电***时更是不允许；另外，由于为避免IGBT上下桥臂的直通，上下桥臂的驱动信号都设置了微秒级的死区时间，在该死区时间内即使第二N沟道MOSFET管Q2的栅极电阻阻值较大，也能及时导通，因此，第二N沟道MOSFET管Q2的栅极电阻可以取较大的阻值，一方面避免驱动电源提供过大的功率，另一方面由于死区时间的存在，第二N沟道MOSFET管Q2完全来得及及时导通，本实施例中，第二N沟道MOSFET管Q2栅极电阻取1kΩ。在该拓扑结构中，尽管第二N沟道MOSFET管Q2的栅极电阻阻值较大，但是当第一N沟道MOSFET管Q1导通时，给本已导通的MOSFET管的栅极电荷提供了一条快速低阻抗泄放通道，使得第二N沟道MOSFET管Q2以最快的速度截止关断，这样就保证了驱动光耦U1的输出开通信号几乎无延时地传输到IGBT的栅极，使得电机的控制性能不会因为增加了抑制米勒电容效应的MOSFET嵌位电路而受到任何影响。经实际测试，此时上桥臂栅极电压被抑制在3V以内（参见附图4，CH1是代表上桥臂栅极电压），低于栅极阈值电压V_GEth（以德国Infinion公司生产的型号为FP10R12W1T4的IGBT为例，V_GEth典型值为5.8V，最小值为5.2V，最大值为6.4V），从而有效抑制IGBT的误导通；

该抑制米勒电容效应的MOSFET嵌位电路拓扑结构，除抑制米勒电容效应作用外，当逆变器发生短路或漏电等大电流过流保护而快速关断IGBT时，由于IGBT模块内及主回路寄生电感的存在，将会产生很高的-Ldi/dt，该信号也会耦合到IGBT的栅极可能导致本已保护关断的IGBT被重新导通，但是由于本抑制米勒电容效应的MOSFET嵌位电路的存在，这一信号也会和米勒电容效应信号一样得到有效抑制。

图4是本发明MOSFET钳位电路抑制效果波形，其中，CH1—上臂IGBT栅极驱动波形，CH2—上臂光耦原边驱动波形（低导通），CH3—下臂光耦原边驱动波形（低导通），CH4—上下桥臂短时直通电流波形，CH1为IGBT驱动电压波形，可以看到采用本发明电路抑制后米勒电容效应引起的误导通栅极电压峰值不到3V，CH4为短时直通电流波形，可以看出，该电流峰值约0.5A；

图5是采用常规加大IGBT栅极驱动电阻和栅极、发射极之间并联电容的抑制效果波形，其中，CH5——IGBT栅极驱动波形，CH6——上臂光耦原边驱动波形（低导通），CH7——下臂光耦原边驱动波形（低导通），CH8——上下桥臂短时直通电流波形，CH1为IGBT驱动电压波形，可以看到采用常规方法抑制后米勒电容效应引起的误导通栅极电压峰值达到8V,CH4为短时直通电流波形，可以看出，该电流峰值达到约2A。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，只要在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种单电源供电抑制IGBT米勒电容效应的电路，包括IGBT驱动部分的单电源供电***（1）、抑制IGBT米勒电容效应的MOSFET钳位电路拓扑结构（2），其特征在于，

所述MOSFET钳位电路拓扑结构（2），包括第一N沟道MOSFET管（Q1）、第二N沟道MOSFET管（Q2）、第一N沟道MOSFET管（Q1）的栅极电阻（R6）、第二N沟道MOSFET管（Q2）的栅极电阻（R7），第一电阻（R5）、第二电阻（R8）、驱动信号电容（C52），下拉电阻（R8），逆变器中的IGBT上桥臂驱动光耦（U1）的驱动信号通过第一电阻（R5）直接作用到IGBT的栅极，第一N沟道MOSFET管（Q1）的栅极通过第二电阻（R6）与光耦（U1）的输出端相连，第二N沟道MOSFET管（Q2）的门极通过其栅极电阻（R7）与IGBT驱动电源的正极相连，第一N沟道MOSFET管（Q1）的漏极与第二N沟道MOSFET管（Q2）的栅极直接相连，第一N沟道MOSFET管（Q1）的源极与第二N沟道MOSFET管（Q2）的源极直接连接到单电源供电的地U-网络上；所述下拉电阻（R8）与驱动信号电容（C52）并联，单电源供电***（1）的第一滤波电容（C1）、第二滤波（C2）并联，均为一端与单电源供电***（1）的正极U+相连，另一端与单电源供电***（1）的地U-相连；所述下拉电阻（R8）防止IGBT栅极静电击穿，所述驱动信号电容（C52）防止IGBT其他干扰误导通。

2.根据权利要求1所述的单电源供电抑制IGBT米勒电容效应的电路，其特征在于，

所述单电源供电***（1）是逆变器的各桥臂驱动电源均由开关电源独立提供。

3.根据权利要求1所述的单电源供电抑制IGBT米勒电容效应的电路，其特征在于，

所述单电源供电***（1）是开关电源给逆变器的驱动只提供一路单极性电源，该电源直接给逆变器的下桥臂IGBT提供驱动，上桥臂的各IGBT驱动电源均通过Boost方式获得。

4.根据权利要求1所述的单电源供电抑制IGBT米勒电容效应的电路，其特征在于，

为避免IGBT上下桥臂的直通，上下桥臂的驱动信号都设置了微秒级的死区时间，第一N沟道MOSFET管（Q1）和第二N沟道MOSFET管（Q2）的漏源电压V_DSS大于60V，栅源电压V_GS不小于20V；第一N沟道MOSFET管（Q1）的栅极电阻（R6）阻值取100欧姆，第二N沟道MOSFET管（Q2）的栅极电阻（R7）取值1000欧姆，在该死区时间内第二N沟道MOSFET管（Q2）都能及时导通。