IGBT驱动电路密勒效应的应对策略分析

宫鑫+王飞+彭文亮+许强强

摘 要： IGBT的门极驱动电路影响IGBT的通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路电流能力等，决定了IGBT的静态与动态特性。针对IGBT在开通和关断时，密勒效应对驱动的影响及其应对策略进行研究和分析。分析了密勒电容引起的寄生导通效应的4种应对策略，包括改变门极电阻，增加GE间电容，采用负压驱动以及有源密勒钳位技术，并分析了驱动电路中门极电阻对IGBT性能的影响。在此基础上，进行了实验对比，给出了实验分析结果。此外还对驱动与控制板的线缆连接要求进行了测试对比。实验结果表明，门极电阻的设置直接影响IGBT的开关性能，实际应用中需要综合考虑实际需求选择合适的门极电阻值来保证IGBT最优化地开通关断，密勒效应中的密勒电容对IGBT的开关性能影响非常大，驱动与控制板的线缆连接要求越短越好。

关键词： IGBT； 驱动电路； 密勒效应； 分布电容； 门极电阻； 动态特性

中图分类号： TN710.4?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）02?0044?04

Abstract： The gate driver circuit of IGBT affects on?state voltage drop， switching time， switching loss and capability bearing short?circuit current of IGBT， which determines the static and dynamic characteristics of ICBT. The influence of Miller effect on driver during the on?and?off of IGBT and the coping strategies are researched and analyzed. The four strategies corresponding to parasitic conduction effect produced by Miller capacitance are analyzed， including changing gate resistance， increasing capacitance between GE， using negative pressure drive and active Miller clamp technology. The influence of gate resistance in driver circuit on IGBT performance is also analyzed. On this basis， the contrast experiment was carried out. The experimental analysis results are given. The requirements of cable collection between the driver and the control panel are compared. The experimental results shows that the setting of gate resistance directly affects the switching performance of IGBT， the practical demand needs to be considered to select an appropriate gate resistance value for ensuring the optimization of IGBT on?and?off in the practical application， the Miller capacitance in Miller effect has a great influence on the switching performance of IGBT， and the cable collecting the driver and the control panel should be as short as possible.

Keywords： IGBT； driver circuit； Miller effect； distributed capacitance； gate resistance； dynamic characteristic

IGBT近年來在各种电力变换装置中得到广泛应用[1?7]，而IGBT的门极驱动电路影响IGBT的通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路电流能力等，决定了IGBT的静态与动态特性。驱动电路作为电力电子装置中的一个重要组成部分，其输入连接至控制电路的PWM信号输出端，输出连接至装置中各IGBT的门极和发射极，其主要功能是将装置中的控制电路产生的数字PWM信号进行传输和电平转换以及功率放大，实现控制电路对IGBT开通和关断动作的控制，从而实现装置的功率变换功能[8]。

IGBT是电压控制型器件，需要提供适当的正反向电压才能使其可靠开通和关断。IGBT的开关时间应综合考虑，快速开通和关断有利于提高工作频率，减小开关损耗，但过快的开关速度会造成很高的尖峰电压。当IGBT开通后，驱动电路需提供足够的电压、电流幅值，使IGBT在正常工作及过载情况下不至于退饱和而损耗。驱动电路中门极电阻对工作性能有较大影响。

由于IGBT的门极发射极和门极集电极间存在着分布电容，，以及发射极驱动电路中存在有分布电感，这些分布参数的影响，使得IGBT的实际驱动波形与理想驱动波形不尽相同，并产生了不利于IGBT开通和关断的因素。即密勒电容所引起的寄生导通效应对IGBT开关有着明显的影响[9]。endprint

本文针对IGBT在开通和关断时，密勒效应对驱动的影响以及应对策略进行研究分析。详细介绍了驱动电路中的门极电阻对IGBT性能的影响，密勒电容引起的寄生导通效应的4种应对策略，包括改变门极电阻，增加GE间电容，采用负压驱动以及有源密勒钳位技术，并进行了详细的实验测试，给出了测试结果。此外还对驱动与控制板的线缆连接要求进行了测试对比。

1 密勒电容引起的寄生导通效应的应对策略

当IGBT在开关时遇到的一个普通问题就是寄生密勒电容开通期间的米勒平台，米勒效应在单电源门极驱动的应用中影响比较明显。在门极G和集电极C之间的耦合，使得IGBT关断期间会产生一个很高的瞬态， 这样会引发门极间电压升高而误导通见图1。

减缓密勒效应的解决方法有：改变门极电阻，在门极G和射极E之间增加电容，采用负压驱动以及有源钳位技术。

1.1 改变门极电阻

IGBT的开关时间是由驱动电路对IGBT的输入电容的充放电来控制，增加门极输出电流，IGBT开通和关断时间会相应缩短，开关损耗也会降低。门极电阻主要是用来限制门极输出的降值电流，图2给出了门极电阻在驱动电路中的工作示意图。门极电阻的选择对IGBT的开通和关断影响很大[8?10]。门极电阻大，有利于抵制IGBT的电流上升率及电压上升率，但会增加IGBT的开关时间和开关损耗，具体受影响的参数变化如图3所示，可以根据实际电路要求选择合适的门极电阻。

因此，门极导通电阻影响IGBT导通期间的门极充电电压和电流； 增大这个电阻将减小门极充电的电压和电流，但会增加开通损耗。寄生密勒电容引起的导通通过减小关断电阻可以有效抑制，越小的关断电阻同样也能减少IGBT的关断损耗，然而需要付出的代价是在关断期间由于杂散电感会产生很高的过压尖峰和门极震荡，如图4所示。

1.2 GE间电容

GE间增加电容将影响IGBT开关的特性。GE分担了密勒电容产生的门极充电电流，IGBT总的输入电容为二者之和，门极充电要达到门极驱动的阈值电压需要更多的电荷。由于GE间增加电容，驱动电源功耗会增加，相同的门极驱动电阻情况下IGBT的开关损耗也会增加，如图5所示。

的增加对EMC性能有影响，主要影响到和， 另外对开关损耗和以及对驱动功率损耗也有影响。在相似的条件下，可以得出以下数据和实验曲线，如表1和图6所示。

从图6的测试对比曲线可以看出，增加GE电容后降低了，峰值电流有下降，对密勒效应有所减缓。在相似的条件下，可以得出以下数据和实验曲线，如表2和图7所示。从图7的测试对比曲线可以看出，增加GE电容后降低了开通损耗，增加了峰值GE间电压。

1.3 采用负压驱动

采用门极负电压来安全关断，可提高门限电压。对于IGBT模块在100 A以上应用中比较典型。但增加负电源供电增加设计复杂度，同时也增大设计尺寸。见图8。

1.4 有源密勒钳位技术

为了避免门极优化问题、GE增加电容的损耗和效率、负电源供电增加成本等问题，通过将门极G与射极E短路的方法来抵制因为寄生密勒电容导致的误开通。可以通过在门极G和射极E之間增加三极管来实现，在电压达到某个值时，门极G和射极E的短路开关将触发工作。这样流经密勒电容的电流将通过三极管旁路而不流向驱动器引脚，这种技术即有源密勒钳位技术。有源密勒钳位技术电路图如图9所示。

2 驱动与控制板的线缆连接要求

驱动板与控制板连接时需要注意以下事项：驱动板应尽量靠近控制板；电缆的长度应越短越好，原则上不超过3 m；应该使用双绞线电缆；控制信号和信号地应该与电源分开；信号线应放置在远离功率端子、电源线、直流母排电容和其他干扰源的地方；在信号和驱动的电源地之间加一个低值的电容（1 nF）可以抑制噪声的干扰。表3和图10给出了驱动和控制板线缆长度对参数的影响。从图10的对比曲线可以看出，线缆长度增加后降低了，但提高了峰值电流和增加了峰值GE间电压。

3 结 论

测试分析对比了不同门极电阻对IGBT性能的影响，密勒电容引起的寄生导通效应对IGBT开关的影响和应对策略，以及驱动板与控制板连接线缆的长度对IGBT性能的影响，主要结论如下：门极电阻的设置直接影响IGBT的开关性能，实际应用中需要综合考虑实际需求选择合适的门极电阻值来保证IGBT最优化地开通关断；密勒效应中的密勒电容对IGBT的开关性能影响非常大，本文列举了4种解决方法，分别在抵制寄生密勒导致的误导通效果、成本、开关损耗等方面各有优势，尤其是针对增加GE间电容技术上进行了测试对比；驱动与控制板的线缆连接要求越短越好，针对不同线缆长度进行了测试对比。

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