IR2110驱动IGBT模块中的栅极抗干扰技术

　　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，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－5V到＋5V的偏移量，并且能屏蔽小于50ns的脉冲，这样便具有较理想的抗噪声效果。两个高压MOS管推挽驱动器的灌入或输出电流可达2A，上桥臂通道可以承受500V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120ns，关断传导延时为95ns。电源Vcc典型值为15V，逻辑电源和模拟电源共用一个15V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8.2V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500V主电路系统，工作频率高，可以达到500kHz；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2A；两通道设有低压延时封锁(50ns)。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。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)。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－5V。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5V稳压管组成的负压电路。其工作原理为：电源电压Vcc为20V，在上电期间，电源通过R1给C6充电，C6上保持5V的电压，在LIN为高电平时，LO输出高电平20V，这时加在下管S2栅极上的电压为20V－5V=15V，IGBT正常导通。当LIN输入为低电平时，LO输出0V，此时S2栅极上的电压为－5V，从而实现关断时负压。对于上管S1，HIN输入高电平时，HO输出20V，加在S1栅极上的电压为15V。当HIN为低电平时，HO输出0V，S1栅极为－5V。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5V，自举电容上的电压也维持在20V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3V，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5V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20kHz左右的工作状态下选用1μF和0.1μF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。