在設(shè)計(jì) IGBT 或 SiC FET 橋接電路時(shí)，門驅(qū)動(dòng)電路的正確設(shè)計(jì)與選擇晶體管同樣重要，以確保高可靠性。對(duì)環(huán)境的關(guān)注是可再生能源、智能工業(yè)和電動(dòng)出行等趨勢(shì)背后的主要推動(dòng)力。這些趨勢(shì)又進(jìn)一步推動(dòng)了對(duì)高效電力轉(zhuǎn)換器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的需求。這些系統(tǒng)必須非常可靠，通常要求其工作壽命達(dá)到 10 年或更長(zhǎng)時(shí)間。

為了確保高可靠性，設(shè)計(jì)師在選擇電路中如逆變器或電機(jī)驅(qū)動(dòng)的 H 橋功率晶體管時(shí)，會(huì)非常謹(jǐn)慎。然而，為了獲得最佳效果，他們應(yīng)同樣重視設(shè)計(jì)和布局晶體管門驅(qū)動(dòng)電路，以防止晶體管的誤觸發(fā)，因?yàn)檎`觸發(fā)可能導(dǎo)致穿通電流。這些短路電流可能縮短晶體管的使用壽命，甚至在最壞的情況下導(dǎo)致立即損壞。其他不良后果包括電磁干擾，可能導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法滿足 EMC 法規(guī)。

誤觸發(fā)可能源于對(duì)晶體管寄生電容和電感中流動(dòng)電流的管理不善，如圖 1 所示。

寄生電容與誤觸發(fā)

考慮 Creverse 和 Cinput 之間的充電電流流動(dòng)。如果在晶體管關(guān)閉時(shí)集電極-發(fā)射極電壓上升，電流會(huì)根據(jù)以下公式流入 Creverse：

I_("Creverse")=C_("Reverse")*((dV_(CE))/(dt))

根據(jù)圖 1：

I_("Cinput")=I_("Creverse")-I_("Driver")

因此，充電電流流入 Cinput，可能會(huì)將寄生電容充至超出門-發(fā)射極閾值電壓的電壓，導(dǎo)致晶體管導(dǎo)通。Idriver 依賴于門電阻以及在動(dòng)態(tài)操作中電感 Lgate，后者取決于電路布局和所用封裝。

設(shè)計(jì)師可以調(diào)整各種參數(shù)，以盡量減少由米勒電容流動(dòng)的充電電流引起的誤觸發(fā)的可能性。一種解決方案可能是限制 dVCE/dt，以平坦開關(guān)斜率和 ICreverse 曲線。這種方法的一個(gè)缺點(diǎn)是會(huì)增加開關(guān)損耗作為副作用。或者，通過優(yōu)化電路以降低寄生電感 Lgate，可以有效減少門電壓的上升。然而，更可預(yù)測(cè)的解決方案是施加負(fù)的門-發(fā)射極電壓，以擴(kuò)大閾值電壓的安全裕度。

寄生電感的影響

誤觸發(fā)還可能源于寄生電感(如 Lgate 和 Lemitter)的影響。當(dāng)晶體管打開時(shí)，負(fù)載電流通過晶體管流動(dòng)，因此也流過 Lemitter。如果負(fù)載電流突然關(guān)閉，Lemitter 會(huì)根據(jù)以下公式產(chǎn)生負(fù)電壓：

-V=L_("Emitter")*((dI)/(dt))

這會(huì)使發(fā)射極電壓降低到 GND 以下。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器將門電壓拉至 GND 時(shí)，門-發(fā)射極電壓變?yōu)檎赡軐?dǎo)致晶體管導(dǎo)通。

在橋接電路中，所有低側(cè)晶體管的發(fā)射極都連接到電源接地，因此每個(gè)晶體管的有效 Lemitter 會(huì)受到其他晶體管及其接地連接的電感的影響。完美的對(duì)稱性難以實(shí)現(xiàn)。因此，某些晶體管可能更容易受到誤觸發(fā)的影響，且在所有工作條件下無(wú)法保證可預(yù)測(cè)的性能。

電路電感應(yīng)始終通過盡可能縮短導(dǎo)體和走線長(zhǎng)度來(lái)最小化。然而，通過為每個(gè)晶體管使用隔離式門驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器接地可以直接連接到晶體管的發(fā)射極，從而消除布局電感的影響。通過使用提供凱爾文連接的晶體管，可以進(jìn)一步改善這種情況。將驅(qū)動(dòng)器接地連接到該凱爾文連接有效地防止了 Lemitter 影響導(dǎo)通行為。

此外，使用能夠施加負(fù)門-發(fā)射極電壓的門驅(qū)動(dòng)器，即不僅僅是將門保持在地電位，以保持晶體管關(guān)閉，可以增加門-發(fā)射極電壓與晶體管閾值電壓之間的安全裕度。這在防止誤觸發(fā)方面非常有效。

驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

前一部分已經(jīng)表明，驅(qū)動(dòng)電路的性能對(duì)晶體管抵抗誤觸發(fā)的能力有重大影響。

在設(shè)計(jì) IGBT 時(shí)，晶體管數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的典型門閾值電壓通常在 +3V 和 +6V 之間。隨著結(jié)溫的升高，這些電壓可能下降到 1V 到 2V。+15V 的門-發(fā)射極電壓通常被認(rèn)為是確保在常見操作條件下快速開關(guān)的最佳導(dǎo)通電壓。如前所述，可以使用負(fù)門電壓將 IGBT 關(guān)閉。經(jīng)過實(shí)踐證明，-9V 的電壓是安全有效的。目前，通常使用帶有 +15V 和 -9V 非對(duì)稱電壓的雙隔離 DC/DC 轉(zhuǎn)換器作為 IGBT 驅(qū)動(dòng)器。

驅(qū)動(dòng) SiC FET

在需要高能效、體積小和重量輕的應(yīng)用中，如高端工業(yè)設(shè)備、逆變器或電動(dòng)汽車，碳化硅 (SiC) MOSFET 正變得越來(lái)越受歡迎。SiC FET 的理想開關(guān)電壓與 IGBT 推薦的電壓不同。

SiC FET 的閾值電壓顯著低于 IGBT。此外，給定 SiC FET 的電壓隨著溫度的升高而降低。從邏輯上講，這意味著施加更大的負(fù)偏置電壓到門上以關(guān)閉器件并防止誤觸發(fā)是必要的。閾值電壓隨其使用壽命而下降。如果電路以 -5V 的門-源電壓運(yùn)行，這種下降通常在千小時(shí)的使用壽命內(nèi)為 0.2V-0.3V。經(jīng)過這個(gè)時(shí)間，閾值電壓保持穩(wěn)定。

如果門-源電壓為 -10V，變化大約是前者的五倍，且不同晶體管之間的變化也很大。研究發(fā)現(xiàn)，這些變化如此之大，以至于某些器件在 0V 時(shí)已經(jīng)“正常導(dǎo)通”。因此，為了確保設(shè)備在其使用壽命內(nèi)的一致性能，設(shè)計(jì)師在使用 SiC FET 時(shí)，不應(yīng)施加低于 -5V 的門偏置電壓。

另一方面，使用 +15V 的正電壓(如 IGBT 所用)在理論上是可能的。由于閾值電壓顯著低于 IGBT，+15V 應(yīng)能確保 SiC FET 的可靠開關(guān)行為。然而，不同門-源電壓下的輸出特性表明，更高的電壓會(huì)顯著降低導(dǎo)通電阻 RDS(ON)。+20V 的門-源電壓能充分發(fā)揮 SiC FET 的優(yōu)勢(shì)。因此，運(yùn)行在 +20V/-5V 的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是供電驅(qū)動(dòng)器的良好選擇。

此外，所選擇的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器也必須提供高隔離。IGBT 的典型開關(guān)頻率在 10kHz-50kHz 范圍內(nèi)，SiC FET 則超過 50kHz，可能導(dǎo)致陡峭的上升斜率，從而使轉(zhuǎn)換器的絕緣屏障承受反復(fù)的大應(yīng)力。過于緊密尺寸的絕緣會(huì)降低系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性。

專門設(shè)計(jì)供電功率晶體管門驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)換器，例如用于 IGBT 應(yīng)用的 RECOM RKZ1509，或用于 SiC-FET 應(yīng)用的 RKZ2005 或 RxxP22005，提供非對(duì)稱電壓輸出和高隔離，最高可達(dá) 4kV 或 5.2kV(如 RxxP22005)。圖2和圖3展示了如何使用這些轉(zhuǎn)換器來(lái)控制 IGBT 或 SiC-FET 門驅(qū)動(dòng)器。

結(jié)論

在需要穩(wěn)健可靠的功率晶體管橋接系統(tǒng)中，晶體管門驅(qū)動(dòng)電路的正確設(shè)計(jì)與功率晶體管的選擇同樣重要。已知非對(duì)稱的開通/關(guān)斷電壓，結(jié)合負(fù)偏置的關(guān)斷，能夠有效防止誤觸發(fā)，并應(yīng)與最佳布局實(shí)踐結(jié)合使用：保持連接短以最小化電感，并在設(shè)計(jì) IGBT 橋時(shí)理想地通過凱爾文連接將驅(qū)動(dòng)器接地直接連接到晶體管的發(fā)射極。

驅(qū)動(dòng)電路必須隔離，以允許驅(qū)動(dòng)器接地直接連接到晶體管。強(qiáng)有力的隔離對(duì)于確保驅(qū)動(dòng)器和用于供電的雙非對(duì)稱 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的長(zhǎng)期可靠性至關(guān)重要。

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