摘要： 具有大电流输出和高共模抑制的门驱动光耦合器是解决这些问题的优良方案，因为它为大的IGBT和高速IGBT开关的应用提供了消除噪声和大电流驱动的能力。
关键字： 逆变器 电磁干扰
1 绝缘栅双极晶体管(IGBTs)的门电路必须用稳定的通和断驱动电压和相对大的电流电平进行驱动，以便让它们通、断两种状态下快速地切换。除了供给快速切换以外，大的驱动电流也需要作为开关的IGBTs具有大的功率比。
(1)
Pavg=VGE×QG×fs (2)
Qx=IG，x×tx (3)
Qx=VGE，x×Cx (4)
为了认识到大电流门驱动电路设计对逆变器应用的重要性，我们应关注终端设备设计的技术要求、IGBT栅电荷、栅电容值、栅电压和开关频率。
在设计门驱动电路时，输入电容值通常被作为参考点使用。在IGBT数据表中，输入电容值CIES的范围从几百微微法拉（1微微法拉=10-12法拉）到几百毫微法拉（1毫微法拉=10-9法拉）。CIES是栅极到集电极的电容值CGC和栅极到发射极的电容值CGE的总和，因为在电路的技术说明书中，这两个电容器的相互之间是并联的（见图1所示）。相对于集电极电压，这个IGBT的电容值是明显地变化了。该集电极电压的变化和Miller电容使输入电容值比IGBT数据表中的CIES值增加了3~5倍。因为这种差别，基于数据表的输入电容值通常是不能满足门驱动电路设计需要的。
设计门驱动电路时，利用数据表中规定的栅电荷进行计算是更为合适的。在图2中，QGE是从原点到Miller平稳状态区间或者t0时间内的电荷量。QGC是t1时间内的电荷量，与Miller电荷量范围（平稳状态）一样，它们都是已知的。QG是IGBT所需匝数中的总电荷量，这里的VGE是门电路的驱动电压；QG通常在IGBT制造厂商的数据表中规定。
对于IGBT所要求的门驱动电路的峰值电流和平均功率可以用下式计算。
Pavg=VGE×QG×fs (2)
式中，QG=总的IGBT栅电荷量；fs=IGBT的开关频率（见图2）。
栅电荷的时序可以分离成为三个时间区间t0、t1和t2，每一个时间区间的有效栅电容值和峰值电流可以用下列公式计算：
Qx=IG，x×tx (3)
Qx=VGE，x×Cx (4)
式中，x=0，1或2代表的时间间隔。
2 大功率IGBT和匹配的IGBT开关
在栅电压范围内，平均有效的栅电容值可以由公式(2)确定。这个平均的电容值不能真正代表门驱动器的负载。这可以用时间间隔t1或Miller稳定状态范围内的栅电压波形处于稳定状态进行解释。此处的电压几乎是恒定的，而电荷仍然是感应产生的。这表示在时间间隔t1中存在大的栅电容值。为此，在时间间隔t1期间，或者别的IGBT接通时间，要求大的峰值电流超过大的栅电容值，示于公式(3)或(4)。因为这个大电容值在Miller稳定状态的范围内，存在大的峰值电流是很重要的——尤其是用于高频开关的场合。同理，高速IGBT的断开需要有大的放电器件或降低门驱动器的电流。
在应用采取大额定值的IGBTs时，峰值电流是对开关速度进行限制的因素。在并联的IGBTs应用场所，大电流的单个门驱动器可以用来分配驱动能力和减少元件的数量。典型的情况是，具有2.5A峰值输出电流的门驱动器可以驱动具有额定值等于1200V和100A的IGBTs，以及具有5A峰值输出电流的门驱动器可以驱动具有额定值等于1200V和200A的IGBTs。这个额定值需要变化，它取决于开关频率的要求和环境温度。[#page#]
对于额定电流很大的IGBTs，一种不可逆的电流缓冲器可以用来作为升压IGBT的门驱动器（见图3所示）。这些升压器中的晶体管具有通过大电流的能力和具有大的电流增益。放置如同一个闭合电路那样的电流缓冲器，可以使门电路充电和放电的电流回路中的IGBT获得最小量值的寄生电感。栅极电阻RG是放置了缓冲器电路之后被用来控制IGBT峰值电流的。
对于用作快速充电和放电的IGBT极电容，门驱动器电路应该具有低阻抗。与低阻抗分支和高输出栅电流一起，高速IGBT开关是可以实现的。然而，高速开关产生了一个新的问题。功率半导体器件的高速开关将产生一个发射电磁干扰(EMI)信号的dv/dt，这样的EMI信号可以引起错误的输入信号至门驱动集成电路中，这样，将导致终端应用的失败。为了防止这种情况的发生，通常，设计师会用增加量值的办法来调整开关接通和断开用的栅电阻值，同样，这个栅电阻值的增加，将使开关接通和断开两者间的时间延迟，这是折衷选择高速开关应用设计的要求。
在这种情况下，因为要设计成能提供高共模抑制(high common-mode rejection)以阻止EMI和其它噪声干扰，采用门驱动光耦合器是有益的。输入LED的和输出到IGBT的接地线是互相间隔开的，而内部的LED屏蔽结构提供了所需要的噪声防御作用（见图5所示）。
理想的IGBT门驱动集成电路(IC)是由高速开关、大峰值电流的能力和避免大的噪声系统组成的，如图2所示，高速开关使门电路达到Miller稳定状态。在稳定的区域内，门驱动电压并不是恒定的，而门驱动集成电路被要求传送大电流，以快速地对Miller电容充电。一矣超过稳定状态的范区，驱动器集成电路将继续地传送电流保持充电以完成一个门驱动循环过程。
在高速开关的应用中，发生电磁干扰(EMI)是一个问题，并因此可能造成开关运作的错误，以致引起开关在运行时被破坏。具有大电流输出和高共模抑制的门驱动光耦合器是解决这些问题的优良方案，因为它为大的IGBT和高速IGBT开关的应用提供了消除噪声和大电流驱动的能力。
《编译自：www.powerelectronics.com Apr. 2009》
