IR2110驱动IGBT模块中的栅极抗干扰技术
陶海敏，何湘宁
(浙江大学电力电子研究所，浙江 杭州310027）
摘 要 ： 介 绍 了 IR2110驱 动 芯 片 的 特 点 ， 对 IGBT驱 动 电 路 的 抗 干 扰 技 术 作 了 具 体 分 析 ， 提 出 了 几 种 有 效 的 抗 干 扰 方 法 ， 如 栅 极 电 平 箝 位 、 关 断 时 负 压 等 ， 并 在 实 际 应 用 中 验 证 了 它 们 的 有 效 性 。
关 键 词 ： IR2110； 栅 极 驱 动 ； 抗 干 扰 ； 电 平 箝 位
1 引 言
驱 动 IGBT电 压 型 功 率 器 件 ， 有 多 种 带 保 护 功 能 及 隔 离 驱 动 的 集 成 驱 动 芯 片 ， 如 EXB841系 列 ， M57957系 列 等 ， 但 它 们 都 只 能 驱 动 单 个 功 率 管 。 IR2110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 非 常 简 单 ， 只 用 一 路 电 源 可 同 时 驱 动 上 、 下 桥 臂 。 但 IR2110芯 片 有 它 本 身 的 缺 陷 ， 不 能 产 生 负 压 [3]， 在 抗 干 扰 方 面 比 较 薄 弱 。 本 文 根 据 实 践 经 验 ， 介 绍 了 IR2110在 驱 动 IGBT模 块 中 的 栅 极 抗 干 扰 技 术 。
2 芯 片 功 能 简 介
IR2110驱 动 器 的 内 部 结 构 框 图 如 图 1所 示 。
IR2110包 括 ： 逻 辑 输 入 、 电 平 转 换 、 保 护 、 上 桥 臂 侧 输 出 和 下 桥 臂 侧 输 出 。 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 TTL／ COMS电 平 兼 容 ， 其 输 入 引 脚 阈 值 为 电 源 电 压 Vdd的 10％ ， 各 通 道 相 对 独 立 。 由 于 逻 辑 信 号 均 通 过 电 平 耦 合 电 路 连 接 到 各 自 的 通 道 上 ， 容 许 逻 辑 电 路 参 考 地 (Vss)与 功 率 电 路 参 考 地 (COM)之 间 有 － 5 V到 ＋ 5 V的 偏 移 量 ， 并 且 能 屏 蔽 小 于 50 ns的 脉 冲 ， 这 样 便 具 有 较 理 想 的 抗 噪 声 效 果 。 两 个 高 压 MOS管 推 挽 驱 动 器 的 最 大 灌 入 或 输 出 电 流 可 达 2 A， 上 桥 臂 通 道 可 以 承 受 500 V的 电 压 。 输 入 与 输 出 信 号 之 间 的 传 导 延 时 较 小 ， 开 通 传 导 延 时 为 120 ns， 关 断 传 导 延 时 为 95 ns。 电 源 Vcc典 型 值 为 15 V， 逻 辑 电 源 和 模 拟 电 源 共 用 一 个 15 V电 源 ， 逻 辑 地 和 模 拟 地 接 在 一 起 。 输 出 端 设 有 对 功 率 电 源 Vcc的 欠 压 保 护 ， 当 小 于 8.2 V时 ， 封 锁 驱 动 输 出 。
IR2110具 有 很 多 优 点 ： 自 举 悬 浮 驱 动 电 源 可 同 时 驱 动 同 一 桥 臂 的 上 、 下 两 个 开 关 器 件 ， 驱 动 500 V主 电 路 系 统 ， 工 作 频 率 高 ， 可 以 达 到 500 kHz； 具 有 电 源 欠 压 保 护 相 关 断 逻 辑 ； 输 出 用 图 腾 柱 结 构 ， 驱 动 峰 值 电 流 为 2 A； 两 通 道 设 有 低 压 延 时 封 锁 (50 ns)。 芯 片 还 有 一 个 封 锁 两 路 输 出 的 保 护 端 SD， 在 SD输 入 高 电 平 时 ， 两 路 输 出 均 被 封 锁 。
IR2l10的 优 点 ， 给 实 际 系 统 设 计 带 来 了 极 大 方 便 ， 特 别 是 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 完 成 上 下 桥 臂 两 个 功 率 开 关 器 件 的 驱 动 。
3 驱 动 电 路 的 抗 干 扰 技 术
3.1 电 平 箝 位
IR2110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 C－ E电 压 的 急 剧 上 升 。 此 静 态 的 dv/dt通 常 比 IGBT关 断 时 的 上 升 率 高 。 由 于 密 勒 效 应 ， 此 dv/dt在 集 电 极 栅 极 间 电 容 内 产 生 电 流 ， 流 向 栅 极 驱 动 电 路 ， 如 图 2所 示 。 虽 然 在 关 断 状 态 时 栅 极 电 压 Vg为 零 ， 由 于 栅 极 电 路 的 阻 抗 (栅 极 限 流 电 阻 Rg， 引 线 电 感 Lg)， 该 电 流 令 VGE增 加 ， 趋 向 于 VGE(th)。 最 恶 劣 的 情 况 便 是 该 电 压 达 到 阈 值 电 压 ， 该 IGBT将 被 开 通 ， 导 致 桥 臂 短 路 。 IR2110驱 动 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 IR2110的 不 足 ， 对 输 出 驱 动 电 路 进 行 了 改 进 ， 有 人 采 用 在 栅 极 限 流 电 阻 上 反 并 联 一 个 二 极 管 来 解 决 ， 但 在 大 功 率 下 效 果 不 太 明 显 。 本 文 采 用 了 如 图 3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 V1导 通 、 V2截 止 ， 正 常 驱 动 。 上 管 关 断 期 间 ， V1截 止 ， V2基 极 高 电 平 ， 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 密 勒 效 应 产 生 的 电 流 从 V2中 流 过 ， 栅 极 驱 动 上 的 毛 刺 可 以 大 大 减 小 。 下 管 同 理 。
3.2 负 压 电 路
在 大 功 率 IGBT驱 动 场 合 ， 各 路 驱 动 电 源 独 立 ， 集 成 驱 动 芯 片 一 般 都 有 产 生 负 压 的 功 能 ， 如 EXB841系 列 ， M57957系 列 等 ， 在 IGBT关 断 期 间 在 栅 极 上 施 加 负 电 压 ， 一 般 为 － 5 V。 其 作 用 也 是 为 了 增 强 IGBT关 断 的 可 靠 性 ， 防 止 由 于 密 勒 效 应 而 造 成 误 导 通 。 IR2110芯 片 内 部 虽 然 没 有 产 生 负 压 的 功 能 ， 但 可 以 通 过 外 加 几 个 无 源 器 件 来 实 现 产 生 负 压 的 功 能 ， 如 图 4所 示 。 在 上 、 下 管 驱 动 电 路 中 均 加 上 由 电 容 和 5 V稳 压 管 组 成 的 负 压 电 路 。 其 工 作 原 理 为 ： 电 源 电 压 Vcc为 20 V， 在 上 电 期 间 ， 电 源 通 过 R1给 C6充 电 ， C6上 保 持 5 V的 电 压 ， 在 LIN为 高 电 平 时 ， LO输 出 高 电 平 20 V， 这 时 加 在 下 管 S2栅 极 上 的 电 压 为 20 V－ 5 V=15 V， IGBT正 常 导 通 。 当 LIN输 入 为 低 电 平 时 ， LO输 出 0 V， 此 时 S2栅 极 上 的 电 压 为 － 5 V， 从 而 实 现 关 断 时 负 压 。 对 于 上 管 S1， HIN输 入 高 电 平 时 ， HO输 出 20 V， 加 在 S1栅 极 上 的 电 压 为 15 V。 当 HIN为 低 电 平 时 ， HO输 出 0V， S1栅 极 为 － 5 V。 由 于 IGBT为 电 压 型 驱 动 器 件 ， 所 以 负 压 电 容 C5、 C6上 的 电 压 波 动 较 小 ， 维 持 在 5 V， 自 举 电 容 上 的 电 压 也 维 持 在 20 V左 右 ， 只 在 下 管 S2导 通 的 瞬 间 有 个 短 暂 的 充 电 过 程 。 IGBT的 导 通 压 降 一 般 小 于 3 V， 负 压 电 容 C5的 充 电 在 S2导 通 时 完 成 。 对 于 C5、 C6的 选 择 ， 要 求 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 D1必 须 是 快 恢 复 二 极 管 ， 应 留 有 足 够 的 电 流 余 量 。 此 电 路 与 一 般 的 带 负 压 驱 动 芯 片 产 生 负 压 原 理 相 同 ， 直 流 母 线 上 叠 加 了 5 V的 电 压 。
3.3 自 举 电 容 及 栅 极 限 流 电 阻 选 取
自 举 电 容 用 一 个 大 电 容 和 一 个 小 电 容 并 联 使 用 。 在 频 率 为 20 kHz左 右 的 工 作 状 态 下 选 用 1 μ F和 0.1 μ F并 联 。 并 联 高 频 小 电 容 用 来 吸 收 高 频 毛 刺 干 扰 电 压 。 上 管 的 驱 动 波 形 峰 顶 不 应 出 现 下 降 的 现 象 ， 驱 动 大 容 量 的 IGBT， 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 选 用 较 大 的 电 容 。
选 择 适 当 的 栅 极 限 流 电 阻 对 IGBT驱 动 相 当 重 要 。 IGBT的 开 通 和 关 断 是 通 过 栅 极 电 路 的 充 放 电 来 实 现 的 ， 因 此 栅 极 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 器 件 的 耐 固 性 ， 避 免 dv/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 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 di/dt变 大 ， 会 导 致 较 高 的 dv/dt， 增 加 了 反 向 恢 复 二 极 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 电 流 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 管 子 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 得 根 据 具 体 的 情 况 作 调 整 ， 选 取 最 合 适 的 值 。
4 结 语
IR2110由 于 其 驱 动 电 路 简 单 ， 得 到 了 广 泛 的 应 用 。 本 文 提 出 的 几 种 IR2110驱 动 电 路 的 抗 干 扰 措 施 ， 包 括 电 平 箝 位 电 路 ， 负 压 产 生 电 路 和 栅 极 电 阻 的 选 取 。 在 实 际 应 用 中 ， 应 根 据 具 体 的 应 用 情 况 采 用 不 同 的 抗 干 扰 措 施 。
参考文献
[1] INTERNATIONAL RECTIFIER DATASHEET NO.PD6.0113， HIGH AND LOW SIDE DRIVER IR2110[M].
[2] Rahul S. Chokhawala, Jamie Catt, Laszlo Kiraly .A discussionon IGBT short circuit behavior and fault protection schemes[J].IEEE Transactions on applications, 1995,31,(2):256－ 262.
[3] 张 纯 江 ,赵 清 林 ,张 金 泉 .带 有 “ 负 偏 压 ” 的 2110驱 动 器 [J].电 力 电 子 技 术 ,2000(2)： 49－ 50.
