驅動(dòng)電路設計（十）——柵極電荷和應用

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。

MOSFET功率半導體是電壓型驅動(dòng)，驅動(dòng)的本質(zhì)是對柵極端口的電容充電，驅動(dòng)峰值電流是受功率器件驅動(dòng)電阻和驅動(dòng)器內阻影響的，而驅動(dòng)功率則由柵極電荷、驅動(dòng)電壓和開(kāi)關(guān)頻率決定。因為柵極電荷也決定這功率器件的開(kāi)關(guān)行為，所以理解柵極電荷對于驅動(dòng)設計很重要。

柵極電荷

IGBT的柵極對外顯示出類(lèi)似電容的特性，即柵極電荷由驅動(dòng)提供給柵極電壓和器件柵極電容決定，即：

如果電容的數值是恒定不變的，電壓與電荷就呈簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系。但是IGBT的柵極等效電容則不一樣，是非線(xiàn)性的。圖1給出了柵極電荷 Q _G 標幺值和柵極電壓 U _G E 的關(guān)系，是分段線(xiàn)性的，拐點(diǎn)發(fā)生在器件狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，最終驅動(dòng)電壓到15V設計值，充電電荷到達E點(diǎn)。

圖1. 柵極電荷Q _G 標幺值和柵極電壓U _GE 的關(guān)系

圖中可以看到柵極電荷充電過(guò)程可以分為四個(gè)區域。

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在時(shí)間A處，柵極電荷處于積累模式。在時(shí)間段AB之間對電容 C _GE 充電， U _GE 根據式(10.2)上升。在實(shí)際的應用之中，時(shí)間 t _A-B 由柵極電阻(包括器件內部和外部電阻)和等效柵極電容決定，所以， C GE 不是線(xiàn)性上升，而是按指數規律上升。

在絕大多數應用中，驅動(dòng)電源是一個(gè)電壓源，因此在開(kāi)通過(guò)程中，由于驅動(dòng)電壓下降，柵極電流I _G 的增大依賴(lài)于時(shí)間。用一個(gè)電流源代替電壓源驅動(dòng)IGBT，可以實(shí)現U GE 的線(xiàn)性增大，因此Q/U的梯度總是線(xiàn)性的。

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在時(shí)間B處， U _GE 到達了平帶電壓 U FB ，受電壓影響的MOS電容(屬于 C _GE 的一部分)不再影響充電過(guò)程。這時(shí)相比于時(shí)間段AB， C GE 的值降低。相應地，柵極充電斜率上升。在時(shí)間段BC之間，柵極電壓 U _GE,B-C 超過(guò)柵極閾值電壓 U _GE(TO) ，所以IGBT開(kāi)始工作。

平帶電壓U _FB 描述了在某一時(shí)間,柵極表面和下層半導體金屬氧化層(兩者之間有柵極氧化層隔離)之間的電位相同。這時(shí),由于柵極電荷和半導體電荷互相抵消,半導體金屬氧化層的能帶是平坦的。

在A(yíng)到C階段，驅動(dòng)器在給C _GE 充電，電荷為Q _GE 。

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在時(shí)間段CD，柵極的充電過(guò)程是由反饋電容 C _GC (也叫作密勒電容)決定的。這時(shí)，集-射極電壓 U _CE 不斷降低，電流 I _GC 通過(guò) C _GC 給柵極放電，這部分電流需要驅動(dòng)電流IDirver來(lái)補償。這時(shí)柵極出現一個(gè)恒定的電壓，這種現象叫作密勒電壓或密勒平臺。我們可以說(shuō)驅動(dòng)器在給 C _GC 充電，電荷為 Q _GC 。

由于集電極-發(fā)射極之間的電壓變換率為負，所以C _GC 上的電流也負值，比如，集電極-發(fā)射極電壓由近似直流母線(xiàn)電壓U _DC 降為飽和電壓U _CEsat 。

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IGBT一旦進(jìn)入飽和，此時(shí)的電壓為飽和電壓 U _CEsat ，d _UCE /dt 會(huì )下降到零，也沒(méi)有任何反饋。在到達時(shí)間點(diǎn)E之前，驅動(dòng)電流會(huì )對柵極一直充電，其效果和在A(yíng)B段相似。

不同廠(chǎng)家的數據手冊和應用文檔都給出了類(lèi)似于圖1的柵極電荷充電曲線(xiàn)，也給出了在時(shí)間點(diǎn)E時(shí)的電荷 Q _G =f _(UGE) 。

如果給出了IGBT柵-射極之間的推薦電容 C _GE ，就可以根據該電容得出柵極充電曲線(xiàn)或者充電電荷 Q _G 。因為柵極電荷與溫度幾乎無(wú)關(guān)，所以柵極電荷測量都是在環(huán)境溫度為25℃時(shí)完成的。但是柵極電荷與IGBT的技術(shù)和標稱(chēng)電流有關(guān)。

由于柵極幾何結構上的不同，溝槽柵IGBT比平面IGBT具有更高的柵極電荷，微溝槽技術(shù)的器件柵極電荷會(huì )相對更大一些，因為IGBT設計中可以提高柵極密度，做一些偽溝槽來(lái)平衡器件的電容，提高器件的抗干擾能力。所以對于微溝槽柵IGBT，柵極電容 C _GE 和充電電荷 Q _G 的值相對大一點(diǎn)，所以，微溝槽柵IGBT需要提供更大的驅動(dòng)功率。

利用 Q _GC 確定開(kāi)通電阻

選擇柵極電阻是設計柵極驅動(dòng)電路的重要步驟。開(kāi)通過(guò)程中功率開(kāi)關(guān)管（如IGBT）的柵極通過(guò)柵極電阻被充電至接近V _VCC2 ，關(guān)斷過(guò)程中利用柵極驅動(dòng)器IC內部的源極和漏極晶體管向V _VEE2 放電。

基于MOSFET輸出的柵極驅動(dòng)器輸出可以簡(jiǎn)化為動(dòng)態(tài)電阻（R _DS,source ，R _DS,sink ），在開(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì )出現壓降（V _DS,source ,V _DS,sink ）。

開(kāi)通電阻的選擇要考慮兩個(gè)過(guò)程：

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在初始狀態(tài)，即時(shí)間t A 時(shí)，柵極電位與V _EE2 引腳相同。在此階段，電源電壓V _CC2 - V _EE2 在內部柵極電阻R _DS,source 、外部開(kāi)通柵極電阻R _G,ON 以及功率半導體開(kāi)關(guān)內部柵極電阻R _G,int 之間分配。這是柵極驅動(dòng)器需要輸出最大電流，要通過(guò)設計外部柵極電阻保證合適脈沖電流值。

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在t _C 與t _D 之間，柵極電壓和柵極電流保持恒定，這時(shí)是在給柵極集電極電容C _GC 進(jìn)行充電。這是功率晶體管開(kāi)-通過(guò)程中的一個(gè)重要過(guò)程。上面提到的米勒平臺，其持續時(shí)間由驅動(dòng)電流的大小決定。因此，使用大平均電流的柵極驅動(dòng)器可以實(shí)現更快的開(kāi)通速度。在此平臺時(shí)間內，集電極－發(fā)射極電壓（V _CE ）降至其飽和電壓。同時(shí)決定器件C-E兩端的dV/dt，米勒平臺越短，dV/dt越高。開(kāi)通電阻R _G,ON 和米勒平臺時(shí)間t _ON 的關(guān)系如下：

其中Q _GC 是圖1中C時(shí)刻到D時(shí)刻的充電電荷。如果有明確的米勒平臺時(shí)間t _ON 設計目標值，可以利用上面公式得出R _G,on 。

注：V _pl 是米勒平臺電平電壓

利用Q _G 計算功耗

通過(guò)計算功率晶體管的總柵極荷Q _Gtot 、供電電壓 V _VCC 2 –V _VEE2 、開(kāi)關(guān)頻率f _S 及外部柵極電阻，來(lái)估算輸出部分的損耗。由于許多設計在開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)使用不同的電阻器，因此必須考慮開(kāi)通和關(guān)斷的不同情況。這會(huì )產(chǎn)生一個(gè)特定的損耗分布，取決于：

■ 外部柵極電阻R _Gon,ext 與R _Goff,ext ；

■ 柵極驅動(dòng)器輸出部分的內部阻抗，R _Gon,IC 和R _Goff,IC ；

■ 功率器件的內部柵極阻抗，R _G,int 。

利用Q G 設計電源退耦電容

驅動(dòng)器輸出側電源的電容器需要足夠大，以保證在功率開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)的電源電壓降在設計期望值內。這個(gè)值與Q _G 有關(guān)，可以使用以下方程式初步估算電容器：

此處的I _Q2 代表柵極驅動(dòng)器的拉（源）靜態(tài)電流，f _sw 是開(kāi)關(guān)頻率，Q _G 是功率晶體管的總柵極荷，而ΔV _VCC 是柵極最大電壓變化?？紤]到電容器和柵極電荷參數的誤差典型值，額外增加了20%的余量。

例如，如果以15kHz的頻率驅動(dòng)柵極電荷為Q _G =160nC的英飛凌TRENCHSTOP? IGBT4 IKW40N120H3為例，柵極驅動(dòng)器輸出側靜態(tài)電流最大值為3mA（1ED3321），允許200mV的柵極電源電壓變化，則所需的最小電容為：

考慮電容值受溫度的影響，應至少選擇一個(gè)大于4倍的值，比如10uF的電容器。此電容器用于隔離型柵極供電電壓，應盡可能靠近V _CC2 和V _EE2 引腳放置。為了抗噪去耦，應在引腳V _CC2 與V _EE2 之間放置一個(gè)100nF的電容器。

理解柵極電荷對于驅動(dòng)設計很重要，它能幫助你計算驅動(dòng)器功率，選擇合適的驅動(dòng)電阻和驅動(dòng)芯片。并設計合適的驅動(dòng)電源和滿(mǎn)足預期的功率器件開(kāi)關(guān)速度。

驅動(dòng)電路設計系列文章的第一波已完結，共 10篇 ， 2萬(wàn)字 。