驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)（九）——柵極鉗位

作者：時(shí)間：2025-04-09 來源：英飛凌

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驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)是功率半導(dǎo)體應(yīng)用的難點(diǎn)，涉及到功率半導(dǎo)體的動(dòng)態(tài)過程控制及器件的保護(hù)，實(shí)踐性很強(qiáng)。為了方便實(shí)現(xiàn)可靠的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，英飛凌的驅(qū)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(xì)講解如何正確理解和應(yīng)用驅(qū)動(dòng)器的相關(guān)功能。

本文引用地址：http://2s4d.com/article/202504/469199.htm

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(dòng)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(huì)帶來短路風(fēng)險(xiǎn)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(dòng)電路設(shè)計(jì)（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(huì)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(huì)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(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(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(shí)現(xiàn)迅速泄放的目的。考慮誤差和溫度的影響，即：

另外一種柵極鉗位的方法是通過二極管VD 2 直接將柵極和驅(qū)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(nèi)。當(dāng)驅(qū)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(dāng)電源電壓為+15V時(shí)，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(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(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(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(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(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(qū)動(dòng)器電源不必要的負(fù)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)，如果沒有R GE ，驅(qū)動(dòng)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(huì)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(dòng)中，圖2a。當(dāng)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(jié)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(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(jì)中還有一個(gè)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(gè)周期的正常開關(guān)過程。鉗位時(shí)，驅(qū)動(dòng)級電流會(huì)有一部分注入鉗位二極管，這會(huì)造成驅(qū)動(dòng)負(fù)載不必要的增加。所以在選擇器件時(shí)，應(yīng)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(hù)線路的正常最大工作電壓，比如說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(qū)動(dòng)器的一項(xiàng)保護(hù)功能，其設(shè)計(jì)目的是防止功率開關(guān)柵極懸浮時(shí)的誤導(dǎo)通。

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

如果開關(guān)上出現(xiàn)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(qū)動(dòng)器沒有接通電源，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。