驅動(dòng)電路設計（九）——柵極鉗位

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。

現在市場(chǎng)上功率半導體器件IGBT，MOSFET，SiC MOSFET和GaN，大都是電壓柵控器件，驅動(dòng)起來(lái)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(wèn)題是很容易受干擾，除了米勒電流造成的誤導通以外，由于其它種種原因，柵極電壓被抬高后，也會(huì )帶來(lái)短路風(fēng)險導致?lián)p耗增加，甚至影響器件壽命，損壞柵極。

柵極鉗位

前文 《驅動(dòng)電路設計（八）---米勒鉗位雜談》 已經(jīng)提過(guò)，在功率器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中，由于C-E（D-S）間的dv/dt快速變化，會(huì )通過(guò)米勒電容產(chǎn)生位移電流，給柵極電容充電。這樣可能會(huì )抬高功率器件的柵極電壓，特別是當關(guān)斷過(guò)電流和短路電流時(shí)。

IGBT短路時(shí)，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(guò)大，不會(huì )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(shí)間的關(guān)系。如果柵極鉗位能很好限制短路時(shí)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(shí)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(gè)單向或雙向的TVS二極管接在IGBT VT1的柵極和發(fā)射極之間。當柵極電壓超過(guò)TVS二極管的擊穿電壓后為低阻抗的通路，實(shí)現迅速泄放的目的?？紤]誤差和溫度的影響，即：

另外一種柵極鉗位的方法是通過(guò)二極管VD 2 直接將柵極和驅動(dòng)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。當驅動(dòng)輸出級是軌對軌輸出時(shí)，鉗位到電源是個(gè)好辦法。當電源電壓為+15V時(shí)，如果出現短路，柵極電壓可以有效地被限制在+16V以?xún)取?/p>

(a) BJT升壓電路

(b) MOSFET升壓電路

圖2. 柵極鉗位

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

圖3. 飛兆半導體的SMBJ5V0(C)A—SMBJ170(C)A系列TVS二極管數據手冊

圖4. 脈沖功率降額曲線(xiàn)

在選擇電源鉗位二極管時(shí)，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，就成為驅動(dòng)器電源不必要的負載，反向電流也會(huì )造成關(guān)斷狀態(tài)的功率器件柵極電壓的被抬高。這時(shí)，如果沒(méi)有R GE ，驅動(dòng)級對地具有高阻抗，甚至接近或超過(guò)功率器件的開(kāi)通閥值電壓，在一些不利條件下，功率半導體會(huì )由于這樣的原因出現寄生開(kāi)通。

與PN結二極管相比，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結二極管后鉗位電壓至少為17V，特別是在BJT輸出的柵極驅動(dòng)中，圖2a。當肖特基二極管用于MOSFET推挽輸出級時(shí)，有可能把柵極電壓 U GE 鉗在+15V，圖2b。

相比于PN結二極管，肖特基二極管的缺點(diǎn)在于它們在高溫時(shí)反向漏電流更高。因此必須根據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二極管大很多。

圖5. 肖特基二極管和快恢復PN二極管的IR=f(UR,Tj)特性

設計中還有一個(gè)問(wèn)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該盡可能的小，這也是功率器件應用的一般原則。

柵極鉗位也不適合用于每個(gè)周期的正常開(kāi)關(guān)過(guò)程。鉗位時(shí)，驅動(dòng)級電流會(huì )有一部分注入鉗位二極管，這會(huì )造成驅動(dòng)負載不必要的增加。所以在選擇器件時(shí)，應保證其V RWM （最大反向工作電壓）不低于且盡可能接近于被保護線(xiàn)路的正常最大工作電壓，比如說(shuō)15V。

主動(dòng)關(guān)斷電路

EiceDRIVER? Compact 1ED314x對付米勒電流采用另外一種思路---主動(dòng)關(guān)斷功能。是驅動(dòng)器的一項保護功能，其設計目的是防止功率開(kāi)關(guān)柵極懸浮時(shí)的誤導通。

如果驅動(dòng)器失去電源，即VCC2掉電，驅動(dòng)器的主動(dòng)關(guān)斷電路就動(dòng)作，供電是驅動(dòng)器所連接柵極的浮動(dòng)電壓。

如果開(kāi)關(guān)上出現高速的 dU CE /dt ，就會(huì )產(chǎn)生米勒電流，主動(dòng)關(guān)斷電路一樣可以提供米勒鉗位，即使柵極驅動(dòng)器沒(méi)有接通電源，主動(dòng)關(guān)斷電路也會(huì )利用該電壓為自己供電，并主動(dòng)將柵極拉低。

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

柵極鉗位設計原則

柵極電壓鉗位是功率半導體可靠工作的必要條件，實(shí)現的方法是多種多樣，設計中要抓住要點(diǎn)：

1、鉗位電壓以精確為好

2、鉗位電路不要成為驅動(dòng)的負載

3、鉗位電路不能在正常工況時(shí)被觸發(fā)