1. 电平钳位
IR2110 不能产生负偏压。用于驱动桥式电路、在半桥电感负载下运行时,处于关断状态的 IGBT 会因其反并联二极管的恢复过程,承受集电极—发射极间电压的急剧上升,此静态 du/dt 通常高于 IGBT 关断时的上升率。由于密勒效应,该 du/dt 在集电极—栅极间电容内产生电流并流向栅极驱动电路(见图3-20)。虽然关断状态时栅极电压 Ug 为零,但因栅极电路阻抗(栅极限流电阻 Rg、引线电感 Lg),该电流会使 UGE 增加并趋向 UGE(th);最恶劣时可使该电压达到阈值电压,导致 IGBT 被开通、桥臂短路。IR2110 驱动输出阻抗不够小,沿栅极的灌入电流还会在驱动电压上叠加较严重的毛刺干扰。
图3-20 du/dt 对 IGBT 栅极电路的影响
针对 IR2110 的不足,实际应用中应改进输出驱动电路。常见的在栅极限流电阻上反并联二极管的方法,在大功率下效果不明显,可采用图3-21 所示电路:在关断期间将栅极驱动电平钳位至零电平。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 因基极高电平而导通,将上管栅极电位拉到低电平(三极管饱和压降)。这样密勒效应产生的电流从 VT2 中流过,栅极驱动上的毛刺大大减小,下管同理。
图3-21 带电平钳位的 2110 驱动电路
2. 负压电路
在大功率 IGBT 驱动场合,各路驱动电源独立,集成驱动芯片一般具有产生负压的功能,如 EXB841、M57957 系列,在 IGBT 关断期间于栅极施加约 -5 V 电压,以增强关断可靠性、防止密勒效应造成的误导通。IR2110 内部虽无产生负压功能,但可借外加无源器件实现,如图3-22 所示:在上、下管驱动电路中均加入由电容 C5、C6 与 5 V 稳压管 VDZ1、VDZ2 组成的负压电路。
图3-22 IR2110 负压产生电路
其工作原理:电源电压 Ucc 为 20 V,上电期间电源经 R1 给 C6 充电并在 C6 上保持 5 V。LIN 为高电平时 LO 输出 20 V,加在下管 S2 栅极的电压为 20-5=15 V,IGBT 正常导通;LIN 输入低电平时 LO 输出 0 V,S2 栅极电压为 -5 V,实现关断所需负压。上管 S1 同理:HIN 高电平时 HO 输出 20 V、S1 栅极为 15 V;HIN 低电平时 S1 栅极为 -5 V。因 IGBT 为电压型驱动器件,负压电容 C5、C6 上的电压波动较小、维持在 5 V,自举电容电压维持在 20 V 左右,仅在下管 S2 导通的瞬间有短暂充电过程;IGBT 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。选择 C5、C6 时要求大于 IGBT 栅极输入寄生电容 Ciss;自举电容充电电路中的二极管 VD1 必须是快恢复二极管并留有足够电流余量。此电路与一般带负压驱动芯片产生负压的原理相同,直流母线上叠加了 5 V 电压。
3. 自举电容及栅极限流电阻选取
自举电容采用大电容与小电容并联使用,在频率约 20 kHz 的工作状态下选用 1 μF 与 0.1 μF 并联,并联的高频小电容用于吸收高频毛刺干扰电压。上管驱动波形峰顶不应出现下降;驱动大容量 IGBT 且工作频率较低时,要注意自举电容电压稳定性,故应选用较大的电容。
选择适当的栅极限流电阻对 IGBT 驱动相当重要。IGBT 的开通、关断通过栅极电路充放电实现,栅极电阻对动态特性影响极大。阻值较小的栅极电阻使栅极电容充放电较快、减小开关时间与开关损耗,同时增强器件抗干扰能力、避免 du/dt 误导通;但小电阻只能承受较小栅极噪声,并易引发栅极—发射极间电容与驱动电路引线寄生电感间的振荡;此外小电阻还使 IGBT 开通 di/dt 变大、产生较高 du/dt,增加反向恢复二极管的浪涌电压。低频应用中开关损耗不是重要因素,此时增大栅极电阻可提供较慢的开通速度,但应兼顾栅极瞬态电压与驱动电流。对不同电流容量的 IGBT,栅极限流电阻取值不同,一般功率越大栅极电阻越小,同时对驱动电路布线要求严格、引线电感尽可能小。实际应用中应根据具体情况调整选取合适的阻值。
IR2110 因驱动电路简单而获得广泛应用。上述电平钳位、负压产生与栅极电阻选取等抗干扰措施,在实际应用中应根据具体情况选用。