驅動(dòng)電路設計（八）——米勒鉗位雜談

驅動(dòng)電路設計是功率半導體應用的難點(diǎn)，涉及到功率半導體的動(dòng)態(tài)過(guò)程控制及器件的保護，實(shí)踐性很強。為了方便實(shí)現可靠的驅動(dòng)設計，英飛凌的驅動(dòng)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用驅動(dòng)器的相關(guān)功能。

什么是誤導通

圖1是最基本的半橋電路，上管開(kāi)通的波形如圖2所示，這時(shí)下管VT2驅動(dòng)電壓為零，已經(jīng)關(guān)斷了。

圖1. IGBT半橋電路

由圖2可以看出IGBT VT1有兩個(gè)明顯的集電極峰值電流。第一個(gè)電流尖峰工程師都很熟悉，是來(lái)源于下橋臂IGBT的續流二極管VD2的反向恢復電流。注意到?jīng)]有，UCE還沒(méi)有達到飽和電壓時(shí)又出現了第二個(gè)電流尖峰，持續時(shí)間不長(cháng)，大約為50ns，分析可以確認這是由于IGBT VT2的瞬時(shí)開(kāi)通導致的。

正常情況下，幾十納秒的脈沖電流還不至于會(huì )直接損壞功率半導體器件，然而，額外的損耗是逃不了的，會(huì )導致嚴重的結溫升高，降低器件的壽命。另外產(chǎn)生的振蕩會(huì )干擾驅動(dòng)電路和控制電路，造成工作異常。

圖2. 半橋電路上管VT1開(kāi)通時(shí)的波形

為什么會(huì )誤導通？

當開(kāi)通半橋電路下橋臂IGBT VT ₂ 時(shí),上橋臂IGBT VT ₁ 就會(huì )產(chǎn)生電壓快速上升d U _CE /dt，其在密勒電容 C _GC 產(chǎn)生電流 i _GC ，即：

圖3. 密勒電容引起寄生開(kāi)通

該電流 i _GC 將通過(guò)IGBT內部柵極電阻 R _Gint 、外部柵極電阻 R _Gext ，和驅動(dòng)內部電阻 R Dr ，最后到電源地(這里,電源地和IGBT VT ₁ 發(fā)射極同電位)，并產(chǎn)生柵極電壓，幅值為：

一旦這時(shí)柵極電壓 U _GE 高于IGBT的閾值電壓 U _GE(TO) ，就會(huì )產(chǎn)生寄生開(kāi)通。如果IGBT VT ₂ 已經(jīng)導通，這將導致短路。好在這類(lèi)短路持續的時(shí)間很短,通常大約是10~100ns，一般IGBT都能承受。

在功率半導體的寄生參數中，除了寄生電容 C _GC ，還有另外一個(gè)寄生電容 C _G E 。部分 i _GC 電流將會(huì )通過(guò)該電容直接到電源地。

圖4. IGBT的寄生電容

英飛凌IGBT7采用微溝槽技術(shù)，溝槽密度高，所以可以多做一些溝槽，其中一部分做成偽溝槽，這樣可以?xún)?yōu)化 C _GC 和 C _GE 比值，減小誤導通風(fēng)險，使得IGBT更好用。

SiC MOSFET的d U _CE /dt更高，好在SiC的密勒電容只有IGBT的十分之一左右。

工程師可能也會(huì )想到在柵極和發(fā)射極之間外接個(gè)電容 C _GE 也可以降低密勒效應，但需要注意的是額外電容 C _GE 將影響IGBT的開(kāi)通特性（參考資料2中的第6章6.6.2節）。通常,為了抑制或衰減不需要的振蕩,可以用一個(gè)小電阻和電容串聯(lián)。

米勒鉗位電路

外接個(gè)電容 C _GE 分流是一種古老的思路，集成電路時(shí)代一定會(huì )考慮用有源器件來(lái)實(shí)現同樣或更好的功能，這就是米勒鉗位功能。

以EiceDRIVER? F3為例，該柵極驅動(dòng)器增加了一個(gè)CLAMP管腳，跳過(guò)外接的柵極電阻R _G 直接連接到功率管的柵極，并保證盡可能低的寄生電感。CLAMP功能腳在鉗位非激活狀態(tài)下監測柵極電壓，一旦柵極電壓相對于VEE2低于2V，便開(kāi)通CLAMP與VEE2之間MOSFET，提供米勒電流低阻抗通路，防止寄生導通。鉗位電路在柵極驅動(dòng)器再次開(kāi)通之前保持激活狀態(tài)。

圖5. EiceDRIVER? F3 1ED332xMC12N的米勒鉗位

米勒鉗位pre-drive

當米勒鉗位信號走線(xiàn)電感比較大或者大功率器件米勒電流比較大的情況下，驅動(dòng)芯片自帶的米勒鉗位表現并不理想。一般芯片的米勒鉗位能力只有2A左右，這會(huì )降低大功率IGBT的鉗位能力。這時(shí)可以選擇帶有外部MOSFET的預驅動(dòng)器輸出的驅動(dòng)芯片產(chǎn)品，比如圖6的英飛凌1ED3491。

圖6. 帶米勒預驅的芯片產(chǎn)品

外部的小信號N溝道MOSFET晶體管與驅動(dòng)器CLAMPDRV腳相連，可實(shí)現大電流的箝位。如圖6將MOSFET連接到CLAMPDRV輸出、VEE2引腳和IGBT柵極之間。由于采用了米勒預驅動(dòng)配置，鉗位電流僅受外部鉗位MOSFET晶體管的限制。根據外部MOSFET的不同，米勒電流鉗位可達20A。鉗位 MOSFET必須靠近IGBT柵極，以盡量減少米勒電流泄放通路的電阻和電感。

英飛凌帶米勒鉗位的工業(yè)應用驅動(dòng)器產(chǎn)品：

EiceDRIVER? Compact隔離柵極驅動(dòng)器IC

■ X3 Compact：1ED3122MC12H、1ED3127MU12F、1ED3125MU12F

■ 2L-SRC Compact：1ED3251MC12H、1ED3250MC12H

在EiceDRIVER? Enhanced系列隔離柵極驅動(dòng)器IC

■ F3系列1ED332x

■ X3 Analog系列1ED34x1

■ X3 Digital系列1ED38x0

X3 Analog模擬系列的柵極驅動(dòng)器1ED3491和X3 Digital數字系列的柵極驅動(dòng)器1ED3890提供米勒鉗位預驅動(dòng)器，可驅動(dòng)一個(gè)外部MOSFET，該MOSFET可以放置在非?？拷黃iC MOSFET的地方，以減小寄生電感，獲得最好的鉗位效果。

電平位移驅動(dòng)器：

2ED1323S12P電平位移柵極驅動(dòng)器同時(shí)提供了有源米勒鉗位功能和過(guò)電流（ITRIP）保護。

米勒鉗位不是萬(wàn)能的

IGBT模塊由芯片并聯(lián)實(shí)現大電流的，為了均流，芯片上自帶柵極電阻，數據手冊上能找到具體數值。這一柵極電阻會(huì )影響密勒鉗位的效果。盡管采用了密勒鉗位，根據IGBT和系統設計的不同，柵極電壓仍可能引起IGBT寄生開(kāi)通。在這種情況下，建議最好避免采用單電源，正負電源可以更有效解決米勒導通問(wèn)題。