內(nèi)容

引言

隨著電力電子產(chǎn)品朝著更高的效率和密度發(fā)展，穩(wěn)健的柵極驅(qū)動器設(shè)計變得至關(guān)重要，尤其是對于高功率應(yīng)用中的 SiC MOSFET 和 IGBT。本手冊將傳統(tǒng)米勒鉗位技術(shù)與雙極輸出柵極驅(qū)動器進(jìn)行了比較，重點介紹雙極驅(qū)動如何提高抗噪性、防止誤導(dǎo)通以及提高開關(guān)性能。通過比較分析和 EV 牽引逆變器、光伏逆變器和電機(jī)驅(qū)動器等實際應(yīng)用，本應(yīng)用手冊討論了如何在現(xiàn)代高性能電源系統(tǒng)中采用雙極性柵極驅(qū)動器。

碳化硅 (SiC) 具有 3.26eV 的寬帶隙，在高功率、高頻和高溫應(yīng)用中比傳統(tǒng)硅 (Si) 具有顯著的優(yōu)勢。由于具有碳化硅的擊穿電壓、較低的導(dǎo)通電阻和更好的導(dǎo)熱性，因此可在高達(dá) 10kV 的電壓和高達(dá) 200°C 的溫度下運行，并且可以降低開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗。

雖然 Si MOSFET 和 IGBT 均廣泛用于電源系統(tǒng)，但它們在性能上有所不同。IGBT 能夠以較低的導(dǎo)通損耗處理較高的電流，而 MOSFET 可提供更快的開關(guān)速度，但電流容量會受到限制。SiC MOSFET 將 MOSFET 的高頻優(yōu)勢與 IGBT 的高電壓能力相結(jié)合，可實現(xiàn)更高的效率、更高的功率密度和更低的熱應(yīng)力。這些特性使 SiC 成為電動汽車、可再生能源系統(tǒng)和高效電源等應(yīng)用的理想選擇。

圖 1 基于功率和頻率水平的功率半導(dǎo)體器件應(yīng)用

終端設(shè)備

dV/dt 誘發(fā)的導(dǎo)通

在逆變器、電源轉(zhuǎn)換器和電機(jī)驅(qū)動器等大功率應(yīng)用中，IGBT 和 SiC MOSFET 通常會發(fā)生快速開關(guān)轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生大電壓 (dV/dt) 和電流 (di/dt) 瞬態(tài)。雖然這種快速開關(guān)操作可以提高效率，但也會與電路中的寄生元件相互作用并導(dǎo)致意外的器件行為。一個顯著的問題是 dV/dt 誘發(fā)的導(dǎo)通，其中漏源電壓 (V_ds) 的快速增加會導(dǎo)致位移電流流過器件的米勒電容（C_gd 或 C_ge）。

這種米勒電流會在柵極電阻上產(chǎn)生壓降，如果產(chǎn)生的柵源電壓 (V_gs) 超過器件的閾值電壓 (V_th)，則可能會意外打開開關(guān)。在半橋配置中，這可能會導(dǎo)致擊穿，即上下器件同時導(dǎo)通，從而導(dǎo)致過大的電流和熱應(yīng)力。為了防止此類故障，柵極驅(qū)動器通常采用負(fù)柵極偏置或集成式米勒鉗位電路來抑制寄生導(dǎo)通，并驗證在高 dV/dt 條件下的可靠運行。

圖 2 MOSFET 半橋

圖 3 S2 的米勒電流路徑

圖 4 米勒電流對 S2 柵極電壓的影響

米勒電流

在高速電源開關(guān)應(yīng)用中，器件上的電壓瞬態(tài) (dV/dt) 可以通過寄生米勒電容 (C_gd) 耦合，產(chǎn)生柵極電流，從而意外導(dǎo)通器件。C_gd 是功率半導(dǎo)體的固有物理屬性，無法修改，因此一種常見的緩解方法是通過增大相應(yīng) FET 的柵極電阻 (R_g) 來降低 dV/dt。不過，這種方法會減慢開關(guān)轉(zhuǎn)換速度并增加開關(guān)損耗，因此需要在抗噪性和效率之間進(jìn)行權(quán)衡?？刹捎妹桌浙Q位來克服該限制。米勒鉗位是靠近柵極的低阻抗開關(guān)，可在關(guān)斷期間提供直接接地路徑或負(fù)電壓軌。這可以防止柵極電壓由于 dV/dt 誘發(fā)的電流而上升。米勒鉗位集成到柵極驅(qū)動器架構(gòu)中可實現(xiàn)對柵極的關(guān)斷電阻的獨立控制，而不會影響電路的米勒抗擾度。米勒鉗位的有效性主要取決于決定阻抗和下拉電流能力的放置方式。高阻抗或下拉電流不足會導(dǎo)致鉗位失效，從而無法抑制錯誤的導(dǎo)通事件。因此，在現(xiàn)代柵極驅(qū)動器架構(gòu)中，精心設(shè)計米勒鉗位電路對于保持抗噪性和開關(guān)效率至關(guān)重要。

內(nèi)部與外部米勒鉗位的對比

米勒鉗位的有效性在很大程度上取決于靠近電源開關(guān)的程度，因為鉗位必須提供比柵極驅(qū)動器更低阻抗的米勒電流接地路徑。如果鉗位遠(yuǎn)離器件，則鉗位連接中的寄生串聯(lián)電阻 (R_p) 和電感 (L_p) 會大大降低性能。內(nèi)部米勒鉗位（集成在柵極驅(qū)動器 IC 內(nèi)）可更大限度地減少元件數(shù)量，但如果 IC 封裝和電路板布局布線將米勒鉗位放置在與開關(guān)保持距離的位置，則可能會受到這些寄生效應(yīng)的影響。相反，雖然外部實現(xiàn)的米勒鉗位需要額外的元件，但可以直接放置在電源開關(guān)附近，從而更大限度地減少 R_p 和 L_p，并確保對 dV/dt 誘發(fā)柵極瞬態(tài)的可靠抑制。對于表現(xiàn)高 dV/dt 的應(yīng)用，最好使用外部鉗位來驗證防止誤導(dǎo)通所需的低阻抗電流返回路徑。

圖 5 內(nèi)部米勒鉗位

圖 6 外部米勒鉗位

雙極輸出

雙極柵極驅(qū)動器在導(dǎo)通期間施加正電壓（例如 15V），在關(guān)斷期間施加相對于開關(guān)器件源極或發(fā)射極的負(fù)電壓（例如 –5V）。這種雙軌方法可提高對噪聲和 dV/dt 誘發(fā)的誤導(dǎo)通的抗擾度，尤其是在半橋和全橋配置中，在這種配置中，高側(cè)開關(guān)的轉(zhuǎn)換可以通過低側(cè)器件的米勒電容 (C_gd) 產(chǎn)生感應(yīng)電流。在單極方案中，柵極只能被拉至 0V，而 dV/dt 耦合產(chǎn)生的任何額外電壓都可以將柵極推至閾值電壓 (V_th) 以上，從而無意中導(dǎo)通器件。相比之下，負(fù)柵極電壓會使有效導(dǎo)通閾值進(jìn)一步轉(zhuǎn)移，從而顯著提高噪聲穩(wěn)健性。

圖 7 顯示雙極輸出的 UCC5710xC 應(yīng)用圖

UCC510xB/Z 支持外部負(fù)電壓生成，使設(shè)計人員可通過提供專用負(fù)電壓引腳 (VEE) 來實現(xiàn)雙極柵極驅(qū)動。該功能可在關(guān)斷期間靈活調(diào)整負(fù)偏置，這對于增強(qiáng)抗噪性能和防止米勒電容引起的不必要的導(dǎo)通事件至關(guān)重要。通過使用外部負(fù)電壓源，該驅(qū)動器可以滿足不同電源開關(guān)應(yīng)用中的各種柵極驅(qū)動要求。

雙極柵極驅(qū)動的優(yōu)勢體現(xiàn)在多個方面。雙極柵極驅(qū)動通過主動反對柵極反彈和寄生導(dǎo)通來提供 dV/dt 抗擾度，通過將柵極牢固地拉至地電位以下驗證更安全、更可靠的關(guān)斷，并且可以降低互補(bǔ)開關(guān)配置中的擊穿風(fēng)險。此外，負(fù)電壓會加速柵極電荷的去除，有助于加快開關(guān)關(guān)斷速度。對于 IGBT 器件，雙極柵極驅(qū)動還有助于管理關(guān)斷事件期間的尾電流行為和 dV/dt，從而提高整體開關(guān)性能并降低能量損耗。

負(fù)電壓偏置可用于防止尖峰電壓達(dá)到導(dǎo)通閾值，確保 SiC MOSFET 保持關(guān)斷狀態(tài)。下圖向我們展示了工作原理。

圖 8 不同關(guān)斷電平的比較

雙極輸出和米勒鉗位之間的差異

總之，雙極柵極驅(qū)動技術(shù)在現(xiàn)代高速電力電子系統(tǒng)中至關(guān)重要，可提供增強(qiáng)的控制、可靠性并防止寄生引起的開關(guān)異常（在快速開關(guān)和高壓環(huán)境中常見）。