我们的 IGBT 栅极驱动器电源是否经过优化？- 第1部分

我们中的许多人都熟悉低功率直流电机，因为我们在日常生活中随处可见它们。我们可能看不到所有更大的交流工业电机在幕后工作，以自动化我们的汽车组装或提升我们每天乘坐的电梯。这些大功率电机由具有不同要求和更高电流的电子设备驱动。在本文的第 1 部分中，我们将讨论用于控制三相交流电机大电流的绝缘栅双极晶体管 (IGBT)的理论和要求。在第 2 部分中，我们将讨论隔离要求和正确计算 IGBT 驱动功率量。

三相逆变器用于控制交流电机速度的变频驱动器和大功率应用。IGBT 用于三相逆变器的每一相的半桥配置。半桥的高侧和低侧 IGBT 开关分别用于以交流模式向电机线圈施加正负高压直流脉冲。单个隔离式栅极驱动器 IC 驱动每个 IGBT 的栅极，并将高压输出与低压控制输入电隔离。顶部（高侧）IGBT 的集电极连接到高压直流母线。该 IGBT 的发射极相对于大地浮动以维持晶体管的 V CE在其规定的范围内。这又需要使用隔离栅极驱动器，以便将来自控制电路的低压 PWM 输入与 IGBT 的高压隔离。隔离式栅极驱动器也用于控制底部（低侧）IGBT。下图显示了工业电机驱动器的典型配置。

IGBT 栅极驱动器 IC必须同时执行多种功能。在 IGBT 开通期间，栅极电容被充电，当达到 IGBT 阈值电压 (V GE_on ) 时，反向传输电容（称为米勒电容）也被充电。为了关断 IGBT，栅极电容必须放电，一旦达到阈值电压 (V GE_off )，反向传输电容也需要放电。理论上，开启和关闭电压必须至少超过阈值电平，但实际上，这些值必须由与应用更相关的其他电压代替。通常，IGBT 以标称 15V 的正栅极电压开启。

通常施加到栅极的 0V 足以关闭 IGBT。然而，为了防止米勒电容上的电压变化 (dVCE/dt)（由于半桥中对面 IGBT 的开启）导致关闭的 IGBT 的栅极重新开启，一个较大的负电压（-8V 至 - 15V) 通常应用于栅极驱动器 IC 的 V EE。正确选择控制电压非常重要。

当在栅极和发射极之间施加正控制电压（高于阈值）时，IGBT 开启。由于 IGBT 的跨导，集电极电流是栅极-发射极电压的函数。还依赖于饱和电压。换句话说，栅极-发射极电压越高，可能的集电极电流就越高，由此产生的饱和电压就越低。实现尽可能低的传导损耗，由 V CEsat = f(I C , V GE)，希望在相当高的正控制电压下工作。另一方面，应该注意的是，如果发生故障，高栅极-发射极电压可能会产生高短路电流。因此，需要在正常工作期间的传导损耗和发生故障时的最大短路电流之间找到折衷方案。栅极电压最常见的值为 15V，在 IGBT 驱动器数据表中也显示为特征值。不得超过绝对最大值；否则可能会对驱动器 IC 造成内部损坏，并且在短路期间可能会产生破坏性的高电流。

在 0V 关断的情况下，由于以下两个原因之一，可能会发生寄生导通：

1. 由于米勒电容的反馈效应（主要原因是半桥中的另一个IGBT导通或关断时集电极和发射极之间的电压变化）

2. 由于发射极杂散电感的反馈效应。（造成这种情况的主要原因是负载电流di L /dt的变化）

通过施加负控制电压，IGBT 被关闭，重新开启 IGBT 所需的栅极电压远高于前面描述的米勒效应所能达到的电压。根据应用，-5V 至 -10V 范围内的关断电压非常常见。主要原因是：

1. 降低所需的驱动器功率，这与从负栅极电压到正栅极电压的电压提升成正比。

2. 驱动IC的可用性。许多驱动器 IC 是基于 CMOS 或 BiCMOS 技术开发的，它们仅在正负电源电压之间提供最大 30V 的有限阻断能力。考虑到电源电压容差和最大电压限制的足够安全裕度，V EE电源轨证明的通常负栅极电压在 -5V 至 -10V 范围内。

查看第 2 部分，我们将在其中讨论隔离和电源要求。