驅(qū)動電路設(shè)計（九）——柵極鉗位

驅(qū)動電路設(shè)計是功率半導(dǎo)體應(yīng)用的難點，涉及到功率半導(dǎo)體的動態(tài)過程控制及器件的保護，實踐性很強。為了方便實現(xiàn)可靠的驅(qū)動設(shè)計，英飛凌的驅(qū)動集成電路自帶了一些重要的功能，本系列文章將以雜談的形式講述技術(shù)背景，然后詳細講解如何正確理解和應(yīng)用驅(qū)動器的相關(guān)功能。

現(xiàn)在市場上功率半導(dǎo)體器件IGBT，MOSFET，SiC MOSFET和GaN，大都是電壓柵控器件，驅(qū)動起來比電流型雙極性晶體管BJT容易得多，只需要有限的電荷給柵極電容充電，但問題是很容易受干擾，除了米勒電流造成的誤導(dǎo)通以外，由于其它種種原因，柵極電壓被抬高后，也會帶來短路風(fēng)險導(dǎo)致?lián)p耗增加，甚至影響器件壽命，損壞柵極。

柵極鉗位

前文《驅(qū)動電路設(shè)計（八）---米勒鉗位雜談》已經(jīng)提過，在功率器件開關(guān)過程中，由于C-E（D-S）間的dv/dt快速變化，會通過米勒電容產(chǎn)生位移電流，給柵極電容充電。這樣可能會抬高功率器件的柵極電壓，特別是當(dāng)關(guān)斷過電流和短路電流時。

IGBT短路時，其短路電流ISC短路電流是由柵極電壓決定的：

因此，將柵極電壓限制在某一合理的最大值很重要，這樣可以使得短路電流的值不至于過大，不會超出最大的短路能量。圖1給出了某種1200V IGBT柵極電壓、短路電流和最大短路時間的關(guān)系。如果柵極鉗位能很好限制短路時最大的柵極電壓，那么也就限制了最大的短路電流。

圖1. 柵極電壓、短路電流和最大短路時間之間的關(guān)系

圖2a和2b給出兩種不同的柵極鉗位方法。首先，可以利用一個單向或雙向的TVS二極管接在IGBT VT1的柵極和發(fā)射極之間。當(dāng)柵極電壓超過TVS二極管的擊穿電壓后為低阻抗的通路，實現(xiàn)迅速泄放的目的?？紤]誤差和溫度的影響，即：

另外一種柵極鉗位的方法是通過二極管VD2直接將柵極和驅(qū)動電源電壓連接，因此柵極電壓被限制在電源電壓加上二極管正向壓降之內(nèi)。當(dāng)驅(qū)動輸出級是軌對軌輸出時，鉗位到電源是個好辦法。當(dāng)電源電壓為+15V時，如果出現(xiàn)短路，柵極電壓可以有效地被限制在+16V以內(nèi)。

(a) BJT升壓電路

(b) MOSFET升壓電路，圖2. 柵極鉗位

在選擇TVS管時，要注意擊穿電壓的最大值和最小值之間通常都會有一個較寬范圍，如圖3所截取的數(shù)據(jù)手冊所示。除了考慮最大值，還需要考慮溫度的影響，一般擊穿電壓會隨溫度升高而增大，另外溫度升高后會使二極管的額定耗散功率降低，如圖4所示。

圖3. 飛兆半導(dǎo)體的SMBJ5V0(C)A—SMBJ170(C)A系列TVS二極管數(shù)據(jù)手冊

圖4. 脈沖功率降額曲線

在選擇電源鉗位二極管時，必須保證在高溫下，二極管的漏電流或反向電流IR較低。如果反向電流太高，就成為驅(qū)動器電源不必要的負載，反向電流也會造成關(guān)斷狀態(tài)的功率器件柵極電壓的被抬高。這時，如果沒有RGE，驅(qū)動級對地具有高阻抗，甚至接近或超過功率器件的開通閥值電壓，在一些不利條件下，功率半導(dǎo)體會由于這樣的原因出現(xiàn)寄生開通。

與PN結(jié)二極管相比，肖特基二極管的正向電壓很低，因此非常適合用于電源鉗位。而選用PN結(jié)二極管后鉗位電壓至少為17V，特別是在BJT輸出的柵極驅(qū)動中，圖2a。當(dāng)肖特基二極管用于MOSFET推挽輸出級時，有可能把柵極電壓UGE鉗在+15V，圖2b。

相比于PN結(jié)二極管，肖特基二極管的缺點在于它們在高溫時反向漏電流更高。因此必須根據(jù)其反向電流的特征選擇合適的肖特基二極管。圖5a是快恢復(fù)PN二極管，圖5b為肖基特二極管的漏電流特性。注意肖基特二極管的漏電流比硅快恢復(fù)二極管大很多。

圖5. 肖特基二極管和快恢復(fù)PN二極管的IR=f(UR,Tj)特性

設(shè)計中還有一個問題也很重要，為了不對柵極鉗位產(chǎn)生影響，柵極電壓和電源之間的寄生電感應(yīng)該盡可能的小，這也是功率器件應(yīng)用的一般原則。

柵極鉗位也不適合用于每個周期的正常開關(guān)過程。鉗位時，驅(qū)動級電流會有一部分注入鉗位二極管，這會造成驅(qū)動負載不必要的增加。所以在選擇器件時，應(yīng)保證其VRWM（最大反向工作電壓）不低于且盡可能接近于被保護線路的正常最大工作電壓，比如說15V。

主動關(guān)斷電路

EiceDRIVER? Compact 1ED314x對付米勒電流采用另外一種思路---主動關(guān)斷功能。是驅(qū)動器的一項保護功能，其設(shè)計目的是防止功率開關(guān)柵極懸浮時的誤導(dǎo)通。

如果驅(qū)動器失去電源，即VCC2掉電，驅(qū)動器的主動關(guān)斷電路就動作，供電是驅(qū)動器所連接?xùn)艠O的浮動電壓。

如果開關(guān)上出現(xiàn)高速的dUCE/dt，就會產(chǎn)生米勒電流，主動關(guān)斷電路一樣可以提供米勒鉗位，即使柵極驅(qū)動器沒有接通電源，主動關(guān)斷電路也會利用該電壓為自己供電，并主動將柵極拉低。

圖6. EiceDRIVER? Compact 1ED314xMU12的主動關(guān)斷

柵極鉗位設(shè)計原則

柵極電壓鉗位是功率半導(dǎo)體可靠工作的必要條件，實現(xiàn)的方法是多種多樣，設(shè)計中要抓住要點：

1、鉗位電壓以精確為好

2、鉗位電路不要成為驅(qū)動的負載

3、鉗位電路不能在正常工況時被觸發(fā)

系列文章

驅(qū)動電路設(shè)計（一）——驅(qū)動器的功能綜述

驅(qū)動電路設(shè)計（二）——驅(qū)動器的輸入側(cè)探究

驅(qū)動電路設(shè)計（三）---驅(qū)動器的隔離電源雜談

驅(qū)動電路設(shè)計（四）---驅(qū)動器的自舉電源綜述

驅(qū)動電路設(shè)計（五）——驅(qū)動器的自舉電源穩(wěn)態(tài)設(shè)計

驅(qū)動電路設(shè)計（六）——驅(qū)動器的自舉電源動態(tài)過程

驅(qū)動電路設(shè)計（七）——自舉電源在5kW交錯調(diào)制圖騰柱PFC應(yīng)用

驅(qū)動電路設(shè)計（八）——米勒鉗位雜談

參考資料

1.英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體驅(qū)動技術(shù)合集

2. IGBT模塊：技術(shù)、驅(qū)動和應(yīng)用 機械工業(yè)出版社

3. Datasheet EiceDRIVER? 1ED332xMC12N Enhanced (1ED-F3)

4. ?AN 2022-03 EiceDRIVER? F3——具有短路保護功能的單通道增強型隔離柵極驅(qū)動器系列

5. AN-2021-03 Technical description 1ED324xMC12H_1ED325xMC12H Application Notes