驅動(dong)(dong)電路(lu)設計(ji)是(shi)功(gong)(gong)率半(ban)導(dao)體應用的難點(dian)，涉及到(dao)功(gong)(gong)率半(ban)導(dao)體的動(dong)(dong)態過程控制及器(qi)件的保護，實踐(jian)性很強(qiang)。為了(le)方便(bian)實現可靠(kao)的驅動(dong)(dong)設計(ji)，英(ying)飛凌(ling)的驅動(dong)(dong)集成電路(lu)自帶了(le)一些重(zhong)要的功(gong)(gong)能，本(ben)系列文章(zhang)將以雜談的形式講述技(ji)術背景(jing)，然后詳細講解(jie)如何正確理解(jie)和(he)應用驅動(dong)(dong)器(qi)的相關(guan)功(gong)(gong)能。

MOSFET功率(lv)(lv)半(ban)導體是電(dian)(dian)壓型驅(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)動(dong)，驅(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)動(dong)的本(ben)質是對(dui)柵(zha)(zha)極端口的電(dian)(dian)容充電(dian)(dian)，驅(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)動(dong)峰值電(dian)(dian)流是受(shou)功率(lv)(lv)器(qi)(qi)件驅(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)動(dong)電(dian)(dian)阻和驅(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)動(dong)器(qi)(qi)內阻影(ying)響的，而驅(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)動(dong)功率(lv)(lv)則(ze)由柵(zha)(zha)極電(dian)(dian)荷、驅(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)動(dong)電(dian)(dian)壓和開關頻率(lv)(lv)決定(ding)。因(yin)為柵(zha)(zha)極電(dian)(dian)荷也決定(ding)這功率(lv)(lv)器(qi)(qi)件的開關行為，所以理解柵(zha)(zha)極電(dian)(dian)荷對(dui)于驅(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)動(dong)設計(ji)很重要(yao)。

柵極電荷

IGBT的(de)柵(zha)(zha)極(ji)(ji)對外顯示出類似電容的(de)特(te)性，即(ji)柵(zha)(zha)極(ji)(ji)電荷由驅(qu)動提供給柵(zha)(zha)極(ji)(ji)電壓和器件柵(zha)(zha)極(ji)(ji)電容決定，即(ji)：

如果(guo)電(dian)(dian)容的(de)數(shu)值是(shi)(shi)恒(heng)定不變的(de)，電(dian)(dian)壓與電(dian)(dian)荷(he)(he)就(jiu)呈(cheng)簡單(dan)的(de)線(xian)(xian)性(xing)(xing)關系。但是(shi)(shi)IGBT的(de)柵(zha)極等效電(dian)(dian)容則不一樣，是(shi)(shi)非線(xian)(xian)性(xing)(xing)的(de)。圖1給出(chu)了柵(zha)極電(dian)(dian)荷(he)(he)QG標幺(yao)值和柵極電(dian)壓(ya)UGE的關(guan)系，是(shi)分段線性的，拐(guai)點發生在器件(jian)狀態(tai)發生變(bian)化時，最終驅動(dong)電壓到15V設計值，充電電荷到達E點。

圖(tu)1. 柵極電荷QG標幺值(zhi)和(he)柵極電壓(ya)UGE的關系

圖中(zhong)可以(yi)看到柵極電荷(he)充電過程可以(yi)分為四個區域(yu)。

1

在(zai)時(shi)(shi)間A處，柵(zha)極(ji)電荷(he)處于積累模式。在(zai)時(shi)(shi)間段AB之(zhi)間對(dui)電容(rong)CGE充電，UGE根據式(10.2)上(shang)升(sheng)。在(zai)實際的應(ying)用之(zhi)中，時(shi)(shi)間tA-B由柵(zha)極(ji)電阻(包(bao)括器件內部(bu)和(he)外部(bu)電阻)和(he)等效柵(zha)極(ji)電容(rong)決定，所(suo)以，CGE不是線性上(shang)升(sheng)，而是按指數規(gui)律上(shang)升(sheng)。

在絕大多數應用中(zhong)，驅動電(dian)源是一個電(dian)壓源，因此在開(kai)通過(guo)程中(zhong)，由于驅動電(dian)壓下降(jiang)，柵極電(dian)流(liu)IG的增大依賴于時間。用一個電流源(yuan)代替(ti)電壓源(yuan)驅動IGBT，可以實現UGE的(de)(de)(de)線性(xing)增大，因(yin)此(ci)Q/U的(de)(de)(de)梯度總是線性(xing)的(de)(de)(de)。

2

在時間(jian)B處，UGE到達了平帶(dai)電(dian)壓(ya)UFB，受電(dian)壓(ya)影響的MOS電(dian)容(rong)(屬于CGE的一部分)不再影響充(chong)電(dian)過程。這時相比于時間(jian)段AB，CGE的值降低。相應地(di)，柵(zha)極(ji)充(chong)電(dian)斜率上升。在時間(jian)段BC之間(jian)，柵(zha)極(ji)電(dian)壓(ya)UGE,B-C超過柵(zha)極(ji)閾值電(dian)壓(ya)UGE(TO)，所以IGBT開始(shi)工作。

平(ping)帶(dai)電壓(ya)UFB描述了在(zai)某一時間(jian),柵(zha)極表面和(he)下層半導(dao)體(ti)金屬氧(yang)化層(兩者之(zhi)間(jian)有柵(zha)極氧(yang)化層隔離)之(zhi)間(jian)的電(dian)位相同。這時,由(you)于柵(zha)極電(dian)荷和(he)半導(dao)體(ti)電(dian)荷互相抵(di)消,半導(dao)體(ti)金屬氧(yang)化層的能帶是(shi)平坦的。

在A到C階段，驅動器在給CGE充(chong)電(dian)(dian)，電(dian)(dian)荷(he)為QGE。

3

在(zai)時(shi)(shi)間段CD，柵極的(de)充電(dian)(dian)過(guo)程(cheng)是由反饋電(dian)(dian)容(rong)(rong)CGC(也叫(jiao)作密勒(le)電(dian)(dian)容(rong)(rong))決(jue)定(ding)的(de)。這(zhe)(zhe)時(shi)(shi)，集-射極電(dian)(dian)壓(ya)UCE不斷降低，電(dian)(dian)流IGC通過(guo)CGC給柵極放(fang)電(dian)(dian)，這(zhe)(zhe)部(bu)分電(dian)(dian)流需要驅動電(dian)(dian)流IDirver來補償。這(zhe)(zhe)時(shi)(shi)柵極出(chu)現一個(ge)恒定(ding)的(de)電(dian)(dian)壓(ya)，這(zhe)(zhe)種現象叫(jiao)作密勒(le)電(dian)(dian)壓(ya)或密勒(le)平臺。我(wo)們可以說驅動器在(zai)給CGC充電(dian)(dian)，電(dian)(dian)荷(he)為QGC。

由于集電(dian)極-發射極之間的(de)電(dian)壓變(bian)換率為(wei)負，所以CGC上的電流(liu)也負(fu)值，比如，集電極-發射(she)極電壓(ya)由近似(si)直流(liu)母線電壓(ya)UDC降為飽和電壓(ya)UCEsat。

4

IGBT一(yi)旦(dan)進入飽和(he)，此(ci)時的電(dian)壓為(wei)飽和(he)電(dian)壓UCEsat，dUCE/dt會(hui)下降到零，也沒有任何反(fan)饋。在(zai)到達時間點(dian)E之前，驅動電(dian)流(liu)會(hui)對柵極一(yi)直充電(dian)，其效果和(he)在(zai)AB段相似(si)。

不(bu)同廠家的數據手冊和應用文(wen)檔都給出了類似于圖1的柵極電(dian)荷充電(dian)曲線(xian)，也給出了在(zai)時間點(dian)E時的電(dian)荷QG=f(UGE)。

如果給出了IGBT柵-射極之間的推薦電容(rong)CGE，就可以根據該電容(rong)得出柵極充電曲(qu)線(xian)或者充電電荷QG。因為(wei)柵(zha)極電(dian)荷與(yu)溫度(du)幾(ji)乎無關，所以柵(zha)極電(dian)荷測(ce)量(liang)都是在環(huan)境溫度(du)為(wei)25℃時完成(cheng)的(de)。但是柵(zha)極電(dian)荷與(yu)IGBT的(de)技術(shu)和(he)標稱電(dian)流有關。

由(you)于柵極幾何(he)結構上(shang)的不同，溝(gou)(gou)槽柵IGBT比平面IGBT具有更(geng)高(gao)(gao)(gao)的柵極電(dian)荷(he)(he)，微溝(gou)(gou)槽技術的器(qi)(qi)件(jian)柵極電(dian)荷(he)(he)會相對更(geng)大(da)一(yi)些，因為(wei)IGBT設計(ji)中可以提高(gao)(gao)(gao)柵極密度，做一(yi)些偽溝(gou)(gou)槽來平衡器(qi)(qi)件(jian)的電(dian)容(rong)(rong)，提高(gao)(gao)(gao)器(qi)(qi)件(jian)的抗(kang)干擾能力。所以對于微溝(gou)(gou)槽柵IGBT，柵極電(dian)容(rong)(rong)CGE和充電電荷QG的值(zhi)相對大一點，所以，微溝槽柵IGBT需要提供更大的驅動功(gong)率。

利用QGC確定開通電阻

選擇柵(zha)極電阻是設計柵(zha)極驅動電路(lu)的重要步驟(zou)。開通過程中功率開關管（如IGBT）的柵(zha)極通過柵(zha)極電阻被充電至接近VVCC2，關斷過程中利用(yong)柵極驅動器IC內部的源極和(he)漏(lou)極晶體管(guan)向VVEE2放(fang)電。

基于MOSFET輸出的柵極(ji)驅動器輸出可以簡化為(wei)動態電阻(zu)（RDS,source，RDS,sink），在開關過(guo)程中會出現壓降（VDS,source,VDS,sink）。

開通電阻的選擇要考慮兩個過程：

1

在初始(shi)狀(zhuang)態，即(ji)時(shi)(shi)間tA時(shi)(shi)，柵(zha)(zha)極電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)位與VEE2引腳相同。在此階(jie)段，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓VCC2-VEE2在內部柵(zha)(zha)極電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻RDS,source、外部開通(tong)柵(zha)(zha)極電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻RG,ON以及功率半導體開關內部柵(zha)(zha)極電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻RG,int之間分配(pei)。這是(shi)柵(zha)(zha)極驅動(dong)器需要輸出(chu)最大電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)，要通(tong)過設計外部柵(zha)(zha)極電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻保(bao)證合適脈(mo)沖電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)值。

2

在(zai)tC與tD之間，柵極(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓和(he)柵極(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)保持(chi)恒(heng)定，這時(shi)(shi)是(shi)在(zai)給柵極(ji)(ji)(ji)(ji)集電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容CGC進行充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。這是(shi)功率晶體管開(kai)-通過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)一個重要過(guo)程(cheng)。上面(mian)提到的(de)米勒(le)平(ping)(ping)臺(tai)，其持(chi)續時(shi)(shi)間由驅動(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)的(de)大小決定。因此，使用大平(ping)(ping)均電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)的(de)柵極(ji)(ji)(ji)(ji)驅動(dong)器(qi)可以實現更快的(de)開(kai)通速(su)度。在(zai)此平(ping)(ping)臺(tai)時(shi)(shi)間內，集電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)－發射(she)極(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓（VCE）降至其飽(bao)和(he)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓。同時(shi)(shi)決定器(qi)件C-E兩端的(de)dV/dt，米勒(le)平(ping)(ping)臺(tai)越短，dV/dt越高。開(kai)通電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻RG,ON和(he)米勒(le)平(ping)(ping)臺(tai)時(shi)(shi)間tON的(de)關系如(ru)下：

其中QGC是圖1中C時(shi)刻到D時(shi)刻的充電電荷。如(ru)果有明確的米勒平臺時(shi)間tON設計(ji)目(mu)標(biao)值(zhi)，可以利用上面(mian)公式得出RG,on。

注(zhu)：Vpl是(shi)米勒平臺電平電壓

利用QG計算功耗

通過(guo)計算功率晶體管的總柵極(ji)荷QGtot、供(gong)電電壓 VVCC2–VVEE2、開關頻率fS及外部柵(zha)極電阻(zu)(zu)，來(lai)估算(suan)輸出部分的損耗(hao)。由于(yu)許多(duo)設計在開通(tong)和(he)關(guan)斷(duan)時(shi)使用不同的電阻(zu)(zu)器，因此必須考慮開通(tong)和(he)關(guan)斷(duan)的不同情況。這(zhe)會產生(sheng)一個特定(ding)的損耗(hao)分布，取(qu)決于(yu)：

■ 外部柵極電(dian)阻RGon,ext與RGoff,ext；

■ 柵極驅(qu)動器(qi)輸出部分的內部阻抗，RGon,IC和(he)RGoff,IC；

■ 功率器件(jian)的內(nei)部柵(zha)極阻抗，RG,int。

利用QG設計電源退耦電容

驅(qu)動器輸出側電源的電容器需要足夠大，以保證在功率(lv)開(kai)關開(kai)通時的電源電壓(ya)降(jiang)在設計期(qi)望(wang)值內(nei)。這個值與QG有關，可以使(shi)用以下方程式初步(bu)估算電容器：

此處的(de)IQ2代表柵極驅(qu)動器的拉（源）靜態(tai)電流(liu)，fsw是(shi)開(kai)關頻率，QG是功率晶體管(guan)的總(zong)柵(zha)極(ji)荷，而ΔVVCC是柵(zha)極最大電壓變化。考(kao)慮(lv)到(dao)電容器和柵(zha)極電荷參(can)數的誤(wu)差典(dian)型值(zhi)，額外增(zeng)加了20%的余量(liang)。

例(li)如，如果以15kHz的頻率(lv)驅動柵(zha)極電荷為QG=160nC的(de)英飛(fei)凌TRENCHSTOP™ IGBT4 IKW40N120H3為(wei)例(li)，柵極驅動器輸出側靜(jing)態(tai)電流最大值為(wei)3mA（1ED3321），允許200mV的(de)柵極電源電壓變化，則(ze)所需的(de)最小電容為(wei)：

考慮電容(rong)(rong)值(zhi)受(shou)溫(wen)度的影響，應至少選擇一個(ge)大(da)于4倍(bei)的值(zhi)，比如10uF的電容(rong)(rong)器。此(ci)電容(rong)(rong)器用于隔(ge)離型柵極供電電壓，應盡可能靠(kao)近VCC2和(he)VEE2引(yin)腳(jiao)放(fang)置。為了抗噪去耦(ou)，應在引(yin)腳(jiao)VCC2與VEE2之(zhi)間放置一個100nF的電容(rong)器。

理解柵極電(dian)荷對于(yu)驅(qu)(qu)動設計(ji)很(hen)重要，它能幫(bang)助你(ni)計(ji)算驅(qu)(qu)動器功(gong)(gong)率(lv)，選(xuan)擇合(he)(he)適(shi)的驅(qu)(qu)動電(dian)阻和驅(qu)(qu)動芯(xin)片。并設計(ji)合(he)(he)適(shi)的驅(qu)(qu)動電(dian)源和滿足預期的功(gong)(gong)率(lv)器件開(kai)關速度。

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