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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。

什么是誤導(dǎo)通

圖1是最基本的半橋電路，上管開通的波形如圖2所示，這時(shí)下管VT2驅(qū)動(dòng)電壓為零，已經(jīng)關(guān)斷了。

圖1. IGBT半橋電路

由圖2可以看出IGBT VT1有兩個(gè)明顯的集電極峰值電流。第一個(gè)電流尖峰工程師都很熟悉，是來源于下橋臂IGBT的續(xù)流二極管VD2的反向恢復(fù)電流。注意到?jīng)]有，UCE還沒有達(dá)到飽和電壓時(shí)又出現(xiàn)了第二個(gè)電流尖峰，持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，大約為50ns，分析可以確認(rèn)這是由于IGBT VT2的瞬時(shí)開通導(dǎo)致的。

正常情況下，幾十納秒的脈沖電流還不至于會(huì)直接損壞功率半導(dǎo)體器件，然而，額外的損耗是逃不了的，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的結(jié)溫升高，降低器件的壽命。另外產(chǎn)生的振蕩會(huì)干擾驅(qū)動(dòng)電路和控制電路，造成工作異常。

圖2. 半橋電路上管VT1開通時(shí)的波形

為什么會(huì)誤導(dǎo)通？

當(dāng)開通半橋電路下橋臂IGBT VT2時(shí),上橋臂IGBT VT1就會(huì)產(chǎn)生電壓快速上升dUCE/dt，其在密勒電容CGC產(chǎn)生電流iGC，即：

圖3. 密勒電容引起寄生開通

該電流iGC將通過IGBT內(nèi)部柵極電阻RGint、外部柵極電阻RGext，和驅(qū)動(dòng)內(nèi)部電阻RDr，最后到電源地(這里,電源地和IGBT VT1發(fā)射極同電位)，并產(chǎn)生柵極電壓，幅值為：

一旦這時(shí)柵極電壓UGE高于IGBT的閾值電壓UGE(TO)，就會(huì)產(chǎn)生寄生開通。如果IGBT VT2已經(jīng)導(dǎo)通，這將導(dǎo)致短路。好在這類短路持續(xù)的時(shí)間很短,通常大約是10~100ns，一般IGBT都能承受。

在功率半導(dǎo)體的寄生參數(shù)中，除了寄生電容CGC，還有另外一個(gè)寄生電容CGE。部分iGC電流將會(huì)通過該電容直接到電源地。

圖4. IGBT的寄生電容

英飛凌IGBT7采用微溝槽技術(shù)，溝槽密度高，所以可以多做一些溝槽，其中一部分做成偽溝槽，這樣可以優(yōu)化CGC和CGE比值，減小誤導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn)，使得IGBT更好用。

SiC MOSFET的dUCE/dt更高，好在SiC的密勒電容只有IGBT的十分之一左右。

工程師可能也會(huì)想到在柵極和發(fā)射極之間外接個(gè)電容CGE也可以降低密勒效應(yīng)，但需要注意的是額外電容CGE將影響IGBT的開通特性（參考資料2中的第6章6.6.2節(jié)）。通常,為了抑制或衰減不需要的振蕩,可以用一個(gè)小電阻和電容串聯(lián)。

米勒鉗位電路

外接個(gè)電容CGE分流是一種古老的思路，集成電路時(shí)代一定會(huì)考慮用有源器件來實(shí)現(xiàn)同樣或更好的功能，這就是米勒鉗位功能。

以EiceDRIVER? F3為例，該柵極驅(qū)動(dòng)器增加了一個(gè)CLAMP管腳，跳過外接的柵極電阻RG直接連接到功率管的柵極，并保證盡可能低的寄生電感。CLAMP功能腳在鉗位非激活狀態(tài)下監(jiān)測(cè)柵極電壓，一旦柵極電壓相對(duì)于VEE2低于2V，便開通CLAMP與VEE2之間MOSFET，提供米勒電流低阻抗通路，防止寄生導(dǎo)通。鉗位電路在柵極驅(qū)動(dòng)器再次開通之前保持激活狀態(tài)。

圖5. EiceDRIVER? F3 1ED332xMC12N的米勒鉗位

米勒鉗位pre-drive

當(dāng)米勒鉗位信號(hào)走線電感比較大或者大功率器件米勒電流比較大的情況下，驅(qū)動(dòng)芯片自帶的米勒鉗位表現(xiàn)并不理想。一般芯片的米勒鉗位能力只有2A左右，這會(huì)降低大功率IGBT的鉗位能力。這時(shí)可以選擇帶有外部MOSFET的預(yù)驅(qū)動(dòng)器輸出的驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)品，比如圖6的英飛凌1ED3491。

圖6. 帶米勒預(yù)驅(qū)的芯片產(chǎn)品

外部的小信號(hào)N溝道MOSFET晶體管與驅(qū)動(dòng)器CLAMPDRV腳相連，可實(shí)現(xiàn)大電流的箝位。如圖6將MOSFET連接到CLAMPDRV輸出、VEE2引腳和IGBT柵極之間。由于采用了米勒預(yù)驅(qū)動(dòng)配置，鉗位電流僅受外部鉗位MOSFET晶體管的限制。根據(jù)外部MOSFET的不同，米勒電流鉗位可達(dá)20A。鉗位 MOSFET必須靠近IGBT柵極，以盡量減少米勒電流泄放通路的電阻和電感。

英飛凌帶米勒鉗位的工業(yè)應(yīng)用驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品：

EiceDRIVER? Compact隔離柵極驅(qū)動(dòng)器IC

■?X3 Compact：1ED3122MC12H、1ED3127MU12F、1ED3125MU12F

■?2L-SRC Compact：1ED3251MC12H、1ED3250MC12H

在EiceDRIVER? Enhanced系列隔離柵極驅(qū)動(dòng)器IC

■?F3系列1ED332x

■?X3 Analog系列1ED34x1

■?X3 Digital系列1ED38x0

X3 Analog模擬系列的柵極驅(qū)動(dòng)器1ED3491和X3 Digital數(shù)字系列的柵極驅(qū)動(dòng)器1ED3890提供米勒鉗位預(yù)驅(qū)動(dòng)器，可驅(qū)動(dòng)一個(gè)外部MOSFET，該MOSFET可以放置在非常靠近SiC MOSFET的地方，以減小寄生電感，獲得最好的鉗位效果。

電平位移驅(qū)動(dòng)器：

2ED1323S12P電平位移柵極驅(qū)動(dòng)器同時(shí)提供了有源米勒鉗位功能和過電流（ITRIP）保護(hù)。

米勒鉗位不是萬能的

IGBT模塊由芯片并聯(lián)實(shí)現(xiàn)大電流的，為了均流，芯片上自帶柵極電阻，數(shù)據(jù)手冊(cè)上能找到具體數(shù)值。這一柵極電阻會(huì)影響密勒鉗位的效果。盡管采用了密勒鉗位，根據(jù)IGBT和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不同，柵極電壓仍可能引起IGBT寄生開通。在這種情況下，建議最好避免采用單電源，正負(fù)電源可以更有效解決米勒導(dǎo)通問題。

系列文章

驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)（一）——驅(qū)動(dòng)器的功能綜述

驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)（二）——驅(qū)動(dòng)器的輸入側(cè)探究

驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)（三）---驅(qū)動(dòng)器的隔離電源雜談

驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)（四）---驅(qū)動(dòng)器的自舉電源綜述

驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)（五）——驅(qū)動(dòng)器的自舉電源穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)（六）——驅(qū)動(dòng)器的自舉電源動(dòng)態(tài)過程

驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)（七）——自舉電源在5kW交錯(cuò)調(diào)制圖騰柱PFC應(yīng)用

參考資料

1.英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)技術(shù)合集

2. IGBT模塊：技術(shù)、驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用機(jī)械工業(yè)出版社

3. Datasheet EiceDRIVER? 1ED332xMC12N Enhanced (1ED-F3)