我們的 IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)器電源是否經(jīng)過優(yōu)化？- 第1部分

我們中的許多人都熟悉低功率直流電機(jī)，因?yàn)槲覀冊(cè)谌粘Ｉ钪须S處可見它們。我們可能看不到所有更大的交流工業(yè)電機(jī)在幕后工作，以自動(dòng)化我們的汽車組裝或提升我們每天乘坐的電梯。這些大功率電機(jī)由具有不同要求和更高電流的電子設(shè)備驅(qū)動(dòng)。在本文的第 1 部分中，我們將討論用于控制三相交流電機(jī)大電流的絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)的理論和要求。在第 2 部分中，我們將討論隔離要求和正確計(jì)算 IGBT 驅(qū)動(dòng)功率量。

三相逆變器用于控制交流電機(jī)速度的變頻驅(qū)動(dòng)器和大功率應(yīng)用。IGBT 用于三相逆變器的每一相的半橋配置。半橋的高側(cè)和低側(cè) IGBT 開關(guān)分別用于以交流模式向電機(jī)線圈施加正負(fù)高壓直流脈沖。單個(gè)隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 驅(qū)動(dòng)每個(gè) IGBT 的柵極，并將高壓輸出與低壓控制輸入電隔離。頂部（高側(cè)）IGBT 的集電極連接到高壓直流母線。該 IGBT 的發(fā)射極相對(duì)于大地浮動(dòng)以維持晶體管的 V CE在其規(guī)定的范圍內(nèi)。這又需要使用隔離柵極驅(qū)動(dòng)器，以便將來自控制電路的低壓 PWM 輸入與 IGBT 的高壓隔離。隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器也用于控制底部（低側(cè)）IGBT。下圖顯示了工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的典型配置。

IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)器 IC必須同時(shí)執(zhí)行多種功能。在 IGBT 開通期間，柵極電容被充電，當(dāng)達(dá)到 IGBT 閾值電壓 (V GE_on ) 時(shí)，反向傳輸電容（稱為米勒電容）也被充電。為了關(guān)斷 IGBT，柵極電容必須放電，一旦達(dá)到閾值電壓 (V GE_off )，反向傳輸電容也需要放電。理論上，開啟和關(guān)閉電壓必須至少超過閾值電平，但實(shí)際上，這些值必須由與應(yīng)用更相關(guān)的其他電壓代替。通常，IGBT 以標(biāo)稱 15V 的正柵極電壓開啟。

通常施加到柵極的 0V 足以關(guān)閉 IGBT。然而，為了防止米勒電容上的電壓變化 (dVCE/dt)（由于半橋中對(duì)面 IGBT 的開啟）導(dǎo)致關(guān)閉的 IGBT 的柵極重新開啟，一個(gè)較大的負(fù)電壓（-8V 至 - 15V) 通常應(yīng)用于柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 的 V EE。正確選擇控制電壓非常重要。

當(dāng)在柵極和發(fā)射極之間施加正控制電壓（高于閾值）時(shí)，IGBT 開啟。由于 IGBT 的跨導(dǎo)，集電極電流是柵極-發(fā)射極電壓的函數(shù)。還依賴于飽和電壓。換句話說，柵極-發(fā)射極電壓越高，可能的集電極電流就越高，由此產(chǎn)生的飽和電壓就越低。實(shí)現(xiàn)盡可能低的傳導(dǎo)損耗，由 V CEsat = f(I C , V GE)，希望在相當(dāng)高的正控制電壓下工作。另一方面，應(yīng)該注意的是，如果發(fā)生故障，高柵極-發(fā)射極電壓可能會(huì)產(chǎn)生高短路電流。因此，需要在正常工作期間的傳導(dǎo)損耗和發(fā)生故障時(shí)的最大短路電流之間找到折衷方案。柵極電壓最常見的值為 15V，在 IGBT 驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)表中也顯示為特征值。不得超過絕對(duì)最大值；否則可能會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)器 IC 造成內(nèi)部損壞，并且在短路期間可能會(huì)產(chǎn)生破壞性的高電流。

在 0V 關(guān)斷的情況下，由于以下兩個(gè)原因之一，可能會(huì)發(fā)生寄生導(dǎo)通：

1. 由于米勒電容的反饋效應(yīng)（主要原因是半橋中的另一個(gè)IGBT導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)集電極和發(fā)射極之間的電壓變化）

2. 由于發(fā)射極雜散電感的反饋效應(yīng)。（造成這種情況的主要原因是負(fù)載電流di L /dt的變化）

通過施加負(fù)控制電壓，IGBT 被關(guān)閉，重新開啟 IGBT 所需的柵極電壓遠(yuǎn)高于前面描述的米勒效應(yīng)所能達(dá)到的電壓。根據(jù)應(yīng)用，-5V 至 -10V 范圍內(nèi)的關(guān)斷電壓非常常見。主要原因是：

1. 降低所需的驅(qū)動(dòng)器功率，這與從負(fù)柵極電壓到正柵極電壓的電壓提升成正比。

2. 驅(qū)動(dòng)IC的可用性。許多驅(qū)動(dòng)器 IC 是基于 CMOS 或 BiCMOS 技術(shù)開發(fā)的，它們僅在正負(fù)電源電壓之間提供最大 30V 的有限阻斷能力?？紤]到電源電壓容差和最大電壓限制的足夠安全裕度，V EE電源軌證明的通常負(fù)柵極電壓在 -5V 至 -10V 范圍內(nèi)。

查看第 2 部分，我們將在其中討論隔離和電源要求。