高压电源控制板驱动电路设计
一台塑料薄膜电晕处理机，输出交流高压约20kV，功率10kW，开关级用IGBT做移相全桥，开关频率10kHz。第一版驱动用集成驱动芯片直接推IGBT栅极，跑了三个月，IGBT每隔几周炸一只，炸的时候驱动电阻冒烟，栅极波形上叠着剧烈振铃，振铃幅度冲到20V以上，把栅源极间氧化层击穿。示波器抓波形，驱动回路寄生电感与栅极电容谐振，振铃频率约30MHz，驱动回路电感约20nH。问题不在IGBT选型，在驱动回路布局与参数没压住振铃。
栅极电阻分开算开通与关断。开通电阻控制di/dt与开关损耗，关断电阻控制dv/dt与反向恢复。第一版开通关断共用一只10Ω电阻，开通损耗偏大，IGBT壳温95℃；关断dv/dt约10kV/µs，二极管反向恢复尖峰高。改版开通电阻用15Ω，关断电阻用4.7Ω，两只电阻各串一只二极管，方向相反。开通慢一点换开关损耗降下来，关断快一点把反向恢复时间压短。改完壳温降到78℃，反向恢复尖峰从800V压到600V。开通与关断分开的代价是每路驱动多两只元件，但壳温升17℃值回来。
栅极加-5V关偏置。IGBT栅极阈值约6V，关断时栅极电压到0V就关断，但集电极dv/dt通过米勒电容耦合到栅极，把栅极抬到4V阈值附近，出现米勒开通，上下桥臂直通。第一版关偏置0V，直通烧管两次。改版驱动输出+15V开通、-5V关断，关断时栅极到-5V，米勒耦合要抬6V才到阈值，余量翻倍。-5V由驱动辅助电源单独出一路，稳压精度5%。负偏置电压不是越高越好，-10V栅源耐压会穿，-5V是常用值。
驱动回路面积压到100mm²以内。驱动芯片输出到IGBT栅极，路径上串驱动电阻与二极管，回到驱动源极。第一版回路面积约400mm²，回路电感20nH，振铃30MHz。改版把驱动芯片紧贴IGBT栅极，电阻二极管放在芯片与栅极之间最短路径，回路面积压到80mm²，电感降到6nH，振铃幅度从20V压到8V。回路面积每砍一半，振铃大约降三成，这条规律与05电容充电那台漏极回路类似，但这里是栅极回路，电感量小一个数量级。栅极回路是高速小回路，面积比漏极回路更敏感。
驱动变压器传递PWM信号。驱动芯片在低压侧，IGBT栅极在高压侧悬浮，中间用脉冲变压器隔离。变压器原边1:1副边，原边匝数20匝，副边20匝，磁芯用铁氧体罐型，直径12mm。变压器隔离电压5kVrms，原副边之间加屏蔽层接低压侧地。变压器传递的脉冲宽度最窄2µs，最宽48µs（10kHz周期100µs，移相范围0到48µs）。变压器在脉冲宽度下要伏秒平衡，最宽48µs不饱和，磁芯截面积按伏秒积算，留两倍裕量。
驱动变压器副边加一只泄放电阻。变压器副边绕组寄生电感约50µH，副边接栅极电容约2nF，两者谐振在栅极电压上产生振铃。副边并一只10kΩ泄放电阻，把谐振阻尼掉。早期没加泄放电阻，栅极波形开通后振铃振荡5个周期才稳；加电阻后振荡1个周期就稳。泄放电阻同时把变压器副边静态电位拉到-5V，不加电阻静态电位飘，关断期间栅极电位不确定。电阻功耗很小，10kΩ在15V下耗散22mW，不发热。
驱动电源每路单独隔离。全桥四个IGBT，每个IGBT栅极电位不同，下桥臂两个源极一个接母线负、一个接输出中点，上桥臂两个源极接输出端与正母线。四路栅极驱动电源必须互相隔离，不能共用。早期共用一路15V电源，桥臂之间通过电源互相连通，直通一次烧两只IGBT。改版四路隔离DC-DC模块，每路2W，隔离电压3kVrms，四路电源独立。四路模块成本约两百元，烧两只IGBT损失三千元，账算得过来。
驱动芯片 desat 保护。IGBT退饱和时集电极电压从2V升到600V，持续10µs就烧管。驱动芯片自带desat引脚，通过一只高压二极管接IGBT集电极，正常导通时集电极2V，desat引脚电压低于阈值；退饱和时集电极电压上去，desat引脚超过9V，芯片在2µs内把栅极拉到-5V关断。早期没做desat，IGBT退饱和后要靠过流保护动作，过流保护响应时间50µs，管子已经烧了。加desat后2µs关断，IGBT没烧过。desat二极管选快恢复型，反向恢复时间50ns，慢了desat信号滞后。
栅极电压过冲要盯。IGBT开通瞬间，栅极电压从-5V冲到+15V，回路电感在栅极上产生过冲，过冲到22V就穿栅极氧化层。第一版过冲21V，跑三个月穿一只。改版在栅极与源极之间加一只18V稳压管，把过冲钳在18V，稳压管功率0.5W，耗散在过冲期间。过冲钳位稳压管与驱动电阻并联，靠近栅极放。稳压管不能省，省了就要穿管子。
驱动回路布线用独立地。驱动芯片源极直接连到IGBT源极引脚，不经过功率地铜箔。功率地铜箔上有IGBT主电流di/dt，地弹电压在10kHz处约1V，串进驱动回路会让栅极阈值飘。驱动地单独走，从驱动芯片源极直接到IGBT源极引脚，线宽1mm，长度15mm以内。早期驱动地接功率地，栅极波形上叠1V地弹，米勒开通概率翻倍。改独立地后地弹消失。驱动地与功率地只在IGBT源极引脚那一点汇接。
驱动变压器复位。移相全桥变压器传递正负脉冲，正负脉冲宽度不等时磁芯单向磁化，几周期后饱和，饱和后原边电流猛增，驱动芯片烧。复位办法在原边回路串一只复位电容，电容值按伏秒积算，让正负脉冲在电容上积分回零。早期没加复位电容，跑一小时后磁芯饱和，驱动芯片过热保护。加电容1µF后磁芯不偏磁，连续跑72小时饱和测试通过。复位电容选C0G陶瓷，耐压50V。
驱动功耗要算。每路栅极电荷Qg=120nC，驱动电压摆幅20V（-5到+15），开关频率10kHz，每路驱动功耗Qg×V×f=120nC×20V×10kHz=24mW，四路共96mW。这个功耗在驱动芯片内部，芯片结温环境55℃时约70℃，没到额定125℃。但驱动芯片输出级在开关瞬间流过峰值2A电流，电流脉冲宽50ns，平均功耗不大，但峰值电流要求芯片灌拉电流能力够。选峰值电流2A的驱动芯片，够；选1A的芯片，开通时间拖长，开关损耗上去。
死区时间控制。上下桥臂互补导通，中间留死区，死区内两只都关断，防止直通。第一版死区2µs，10kHz下死区占空比2%，够用。但负载短路时，续流二极管反向恢复时间从50ns涨到200ns，死区内对管还没建立反压，直通。把死区从2µs加到3µs，占空比3%，负载短路不再直通。死区加大换回来输出电压损失1%，在可接受范围。死区不能太小，小了直通；不能太大，大了输出损失。3µs是这台电源试出来的。
驱动芯片电源脚就近放退耦电容。驱动芯片15V电源脚旁，放一只10µF电解与一只100nF陶瓷，陶瓷紧贴引脚，距离5mm以内。早期退耦电容放在驱动板边缘，离芯片20mm，引线电感在10kHz开关下感抗约1Ω，芯片瞬间灌拉2A电流时电源脚电压跌3V，栅极驱动不足。移到紧贴引脚后，电源脚纹波从3V压到0.3V。退耦电容位置比容值更决定高频效果，远了等于没加。
栅极电阻选低温漂型。普通碳膜电阻温漂200ppm/℃，在IGBT壳温80℃下，电阻值比常温高1%，开通时间随温度飘1%。金属膜电阻温漂50ppm，飘0.2%。这台电源开关损耗对栅极电阻敏感，1%变化换壳温2℃。选金属膜电阻，0805封装，功率0.125W，电阻耗散在开关期间约50mW，不发热。早期用碳膜电阻，夏天壳温比冬天高4℃，查下来是电阻温漂。
驱动变压器绕制工艺决定寄生参数。原边副边同绕在一根骨架上，原边绕20匝、副边绕20匝，中间夹一层铜箔屏蔽。绕组紧耦合，漏感小于5µH。早期绕制松散，漏感20µH，栅极波形上升沿慢2µs；密绕后漏感5µH，上升沿0.5µs。绕制由专人做，绕完测漏感，超10µH重绕。变压器灌封前测电感比，误差不超过5%。绕制工艺在样板阶段看不出问题，量产时工人手法不一，漏感波动大，后来做绕制治具，每匝间距固定。
驱动板与IGBT之间用排线连接。驱动板在控制侧，IGBT在功率侧，中间间距50mm，用间距1.27mm排线，排线每路驱动一对线（栅极与源极）。早期排线长100mm，栅极回路电感又回来，振铃大。排线剪短到50mm，振铃从15V压到8V。排线长度在驱动板布局时就要定，长了振铃压不住。排线不走功率线旁边，平行耦合把驱动信号干扰。排线在IGBT源极那一侧单端接地，不双端接地。
驱动故障靠波形诊断。IGBT炸管后，先抓栅极波形看振铃，再测驱动电阻阻值，再查desat引脚电压。有一次炸管后查驱动电阻阻值正常，栅极波形振铃大，最后拆下来看驱动变压器副边焊盘虚焊，虚焊导致回路电感突然变大。虚焊这种故障靠目检查不出来，要靠波形反推。每只IGBT更换前，先抓栅极波形存档，与正常波形对比，振铃大就先查回路电感。波形存档比换管子试错省时间。
栅极与源极之间加一只10kΩ下拉电阻。关断期间下拉电阻把栅极电位固定在源极电位，防止米勒耦合把栅极悬空抬高。早期没加，关断期间栅极浮空，dv/dt耦合进来栅极电位飘到3V，下一次开通信号来时栅极已经有3V门槛，开通提前。加下拉后栅极关断期间稳在0V，开通时刻准确。下拉电阻功耗极小，10kΩ在-5V下耗散2.5mW。
驱动板与功率板之间用插头对接，不用焊死。驱动板在控制侧，IGBT在功率板上，中间一只2×5插头，每路驱动一对线。早期焊死，换驱动板要拆焊，十只焊点拆半小时；插头对接后换板五分钟。插头选镀金针，接触电阻小于20mΩ，两年不氧化。插头不承担大电流，只走栅极驱动mA级信号，针脚小一点没事。插头外壳带定位键，插反插不进去。
驱动变压器副边整流二极管选快恢复型。副边感应正负脉冲，正向开通、负向关断，二极管把负向脉冲削掉，只把正向传到栅极。二极管反向恢复时间50ns，慢了负向脉冲没削干净，栅极关断电压不够-5V。早期用普通二极管，反向恢复200ns，关断电压只有-2V，米勒开通风险回来。换快恢复后关断电压稳在-5V。二极管压降1V，栅极驱动电压从15V降到14V，留了裕量。
驱动电路设计改了四版。初版共用电源、无负偏置、无desat，烧管频繁；第二版加负偏置与desat，烧管减少但栅极振铃；第三版压回路面积与分开栅极电阻，振铃压下去；第四版加独立地、复位电容、钳位稳压管，跑了一年没烧管。代价是每路驱动元件从5只加到12只，驱动板面积翻倍，但IGBT损坏率从每季度一只降到两年没坏。驱动电路在IGBT电源里是隐形的关键，驱动不好，管子选再大也白搭。至今在低温启动时，头两分钟驱动变压器副边振铃比常温大3V，温度稳定后回到8V，这个低温振铃还没找到原因，怀疑是磁芯磁导率在低温下变化。
