內(nèi)容

簡介

隨著電力電子朝更高效率和密度發(fā)展，穩(wěn)健的閘極驅(qū)動器設(shè)計也變得不可或缺，特別是高功率應(yīng)用中的 SiC MOSFET 和 IGBT。本說明將傳統(tǒng)米勒箝位技術(shù)與雙極輸出閘極驅(qū)動器進行比較，強調(diào)雙極驅(qū)動器如何提升雜訊抗擾度、防止誤開啟，及強化切換性能。透過比較分析與 EV 牽引變流器、太陽能逆變器和馬達驅(qū)動等實際應(yīng)用，本應(yīng)用說明將探討現(xiàn)代高性能電源系統(tǒng)中雙極閘極驅(qū)動器的應(yīng)用。

碳化矽 (SiC) 的寬能隙為 3.26eV，相較於傳統(tǒng)矽 (Si)，在高功率、高頻率和高溫應(yīng)用中可提供顯著優(yōu)勢。碳化矽的崩潰電壓、較低的導(dǎo)通電阻和更佳的導(dǎo)熱性，可在高達 10kV 的電壓和高達 200°C 的溫度下運作，並降低切換與傳導(dǎo)損耗。

雖然 Si MOSFET 和 IGBT 廣泛用於電源系統(tǒng)，但其在性能上有所不同。IGBT 能處理較高的電流和較低的導(dǎo)通損失，而 MOSFET 提供更快的切換速度，但電流容量有限。SiC MOSFET 結(jié)合 MOSFET 的高頻優(yōu)勢與 IGBT 的高電壓功能，進而提高效率、提高功率密度以及降低熱應(yīng)力。這些特性讓 SiC 成為電動車、再生能源系統(tǒng)和高效率電源供應(yīng)器等應(yīng)用的選擇。

圖 1 基於功率和頻率級別的功率半導(dǎo)體裝置應(yīng)用

終端設(shè)備

dV/dt 誘導(dǎo)的開啟

在逆變器、電源轉(zhuǎn)換器和馬達驅(qū)動等高功率應(yīng)用中，IGBT 和 SiC MOSFET 通常會暴露在快速切換轉(zhuǎn)換下，以產(chǎn)生大電壓 (dV/dt) 和電流 (di/dt) 瞬態(tài)。雖然這種快速切換可提升效率，但快速切換可能會與電路中的寄生元件互動，進而導(dǎo)致意外的裝置行為。一個值得注意的問題是 dV/dt 誘導(dǎo)的開啟，其中汲極至源極電壓 (V_ds) 的快速增加會導(dǎo)致位移電流流經(jīng)裝置的米勒電容（C_gd 或 C_ge）。

此米勒電流會在閘極電阻中產(chǎn)生壓降，如果產(chǎn)生的閘極源極電壓 (V_gs) 超過裝置的閾值電壓 (V_th)，它可能會無意地開啟開關(guān)。在半橋配置中，這可能會導(dǎo)致擊穿電流，上面和下部裝置同時傳導(dǎo)，進而造成過大的電流和熱應(yīng)力。為了防止這類故障，閘極驅(qū)動器通常採用負閘極偏壓或整合式米勒箝位電路來抑制寄生開啟，並在高 dV/dt 條件下驗證運作是否可靠。

圖 2 MOSFET 半橋

圖 3 S2 的米勒電流路徑

圖 4 米勒電流對 S2 閘極電壓的影響

米勒電流

在高速電源切換應(yīng)用中，裝置間的電壓暫態(tài) (dV/dt) 可能會透過寄生米勒電容 (C_gd) 耦合，進而產(chǎn)生閘極電流，可能意外開啟裝置。由於 C_gd 是功率半導(dǎo)體的固有物理屬性，且無法修改，因此常見的緩解方法是透過增加對應(yīng) FET 的閘極電阻 (R_g) 來減少 dV/dt。然而，此方法會減慢切換轉(zhuǎn)換並增加切換損耗，因此在雜訊抗擾度與效率之間需有所取捨。為了克服此限制，使用了米勒箝位。米勒箝位是置於閘極附近的低阻抗開關(guān)，可在關(guān)閉期間提供通往接地的直接路徑或負電壓軌。這可防止閘極電壓因 dV/dt 誘發(fā)的電流而上升。將米勒箝位整合在閘極驅(qū)動器架構(gòu)中，即可獨立控制閘極的關(guān)閉電阻，且無需犧牲電路的米勒抗擾度。米勒箝位的有效性主要取決於決定阻抗和下拉電流能力的位置。高阻抗或下拉電流不足可能會使箝位無效，無法抑制誤啟事件。因此，精心設(shè)計米勒箝位電路，對於維持現(xiàn)代閘極驅(qū)動器架構(gòu)中的雜訊抗擾度和切換效率至關(guān)重要。

內(nèi)部與外部米勒箝位

米勒箝位的有效性高度取決於與電源開關(guān)的距離，因為此箝位必須為米勒電流提供比閘極驅(qū)動器更低阻抗的接地路徑。如果箝位遠離裝置，箝位連接中的寄生串聯(lián)電阻 (R_p) 和電感 (L_p) 可能會顯著降低性能。內(nèi)部米勒箝位（整合在閘極驅(qū)動器 IC 中）可將元件數(shù)量降到最低，但若 IC 封裝和電路板佈局將米勒箝位置於與開關(guān)距離的一定距離，則可能會受到這些寄生效應(yīng)影響。相反，外部實作的米勒箝位雖然需要額外元件，但可放置在電源開關(guān)附近，進而最小化 R_p 和 L_p，並確保穩(wěn)固抑制 dV/dt 誘發(fā)的閘極瞬態(tài)。對於顯示高 dV/dt 的應(yīng)用，建議使用外部箝位來驗證所需的低阻抗電流傳回路徑，以防止誤開啟。

圖 5 內(nèi)部米勒箝位

圖 6 外部米勒箝位

雙極輸出

雙極閘極驅(qū)動會在開啟期間施加正電壓（例如 15V），關(guān)閉期間則會針對切換裝置的來源或發(fā)射器施加負電壓（例如 -5V）。這種雙軌方法可增強對雜訊和 dV/dt 造成之誤開啟的抗擾度，特別是在半橋和全橋配置中，其中高壓側(cè)開關(guān)的轉(zhuǎn)換可透過低壓側(cè)裝置的米勒電容 (C_gd) 誘發(fā)電流。在單極方案中，閘極只能被拉至 0V，任何來自 dV/dt 耦合的額外電壓都會將閘極推至高於閾值電壓 (V_th)，意外開啟裝置。相較之下，負閘極電壓會使有效開啟閾值進一步遠離當(dāng)前的閘極電壓，可大幅提升雜訊穩(wěn)固性。

圖 7 顯示雙極輸出的 UCC5710xC 應(yīng)用圖

UCC510xB/Z 支援外部負電壓產(chǎn)生，讓設(shè)計人員能夠透過提供專用負電壓針腳 (VEE) 來實作雙極閘極驅(qū)動器。此功能可在關(guān)閉期間靈活調(diào)整負偏壓，這對於強化雜訊抗擾度和防止米勒電容所造成不必要的開啟事件至關(guān)重要。透過使用外部負電壓來源，驅(qū)動器可在不同電源切換應(yīng)用中適應(yīng)各種閘極驅(qū)動需求。

雙極閘極驅(qū)動的優(yōu)點有多方面。雙極閘極驅(qū)動可透過主動防止閘極反彈和寄生開啟來提供 dV/dt 抗擾度，並將閘極穩(wěn)固地拉至接地電位以下，以驗證關(guān)閉是否更安全可靠，並降低互補開關(guān)配置中的擊穿風(fēng)險。此外，負電壓可加快移除閘極電荷，協(xié)助更快速地關(guān)閉開關(guān)。對於 IGBT 裝置，雙極閘極驅(qū)動也有助於在關(guān)閉事件期間管理尾電流行為和 dV/dt，進而提升整體切換性能並減少能量損耗。

負偏壓電壓可用於防止電壓突波達到開啟閾值，確保 SiC MOSFET 保持關(guān)閉。下圖展示了此操作的工作方式。

圖 8 不同關(guān)閉位準的比較

雙極輸出與米勒箝位之間的差異

總而言之，雙極閘極驅(qū)動技術(shù)在現(xiàn)代高速電源電子系統(tǒng)中十分重要，可提供強化控制、可靠性，並可防護快速切換與高電壓環(huán)境中常見的寄生誘發(fā)切換異常。