以雙極性方式驅(qū)動(dòng)單極柵極驅(qū)動(dòng)器

Ryan Schnell

如果特定功率器件需要正極和負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)，電路設(shè)計(jì)人員無需尋找專門處理雙極性操作的特殊柵極驅(qū)動(dòng)器。使用這個(gè)簡(jiǎn)單的技巧使單極性柵極驅(qū)動(dòng)器提供雙極性電壓！

當(dāng)驅(qū)動(dòng)中高功率MOSFET和IGBT時(shí)，當(dāng)功率器件兩端出現(xiàn)高電壓變化率時(shí)，存在米勒效應(yīng)引起的導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn)。電流通過柵極至漏極或柵極至集電極電容注入功率器件的柵極。如果電流注入足夠大，使柵極電壓高于器件閾值電壓，則可以觀察到寄生導(dǎo)通，從而導(dǎo)致效率降低甚至器件故障。

通過使用從功率器件柵極到源極或漏極的極低阻抗路徑，或者通過將柵極驅(qū)動(dòng)至相對(duì)于源極或漏極的負(fù)電壓，可以減輕米勒效應(yīng)。米勒效應(yīng)導(dǎo)通緩解技術(shù)的目標(biāo)是在發(fā)生通過米勒電容的電流尖峰時(shí)，將柵極電壓保持在所需閾值以下。

某些功率器件類型甚至需要負(fù)電壓才能完全關(guān)斷，因此需要來自柵極驅(qū)動(dòng)器的某種負(fù)電壓驅(qū)動(dòng)。推薦使用負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)電壓的設(shè)備制造商包括標(biāo)準(zhǔn)硅 MOSFET、IGBT、SiC 和 GaN 器件。

在次級(jí)側(cè)（驅(qū)動(dòng)功率器件的一側(cè)）采用單極性電源供電的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器種類繁多，但允許顯式雙極性電壓驅(qū)動(dòng)的柵極驅(qū)動(dòng)器器件要少得多?？朔?fù)柵極驅(qū)動(dòng)器件不足的一種方法是將柵極驅(qū)動(dòng)器與功率器件偏移，從而產(chǎn)生相對(duì)于功率器件源極或漏極的負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)，而柵極驅(qū)動(dòng)器IC仍然只看到單極性電源。單極性和雙極性柵極驅(qū)動(dòng)波形示例如圖1所示。

圖1.（a） 單極性和（b） 雙極性柵極驅(qū)動(dòng)波形。

圖2顯示了理想電壓源的原理圖。在本例中，驅(qū)動(dòng)器IC由等于V之和的電壓供電1和 V2，而MOSFET的柵極被驅(qū)動(dòng)至+V1處于 ON 狀態(tài)和 –V2處于關(guān)斷狀態(tài)，相對(duì)于 MOSFET 源極節(jié)點(diǎn)。請(qǐng)注意，在本例中，兩個(gè)電壓源都與單獨(dú)的電容器去耦。柵極驅(qū)動(dòng)器IC看到的有效去耦是電容器的串聯(lián)組合，它小于每個(gè)電容器的值。可以在 V 之間添加額外的去耦DD如果需要，可以使用 GND，但保留 C 很重要1和 C2因?yàn)殡娙萜鞣謩e在導(dǎo)通和關(guān)斷期間為柵極電流提供低阻抗路徑。

圖2.雙極性電源設(shè)置示例。

隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器IC通常帶有欠壓鎖定（UVLO），以防止在柵極驅(qū)動(dòng)器以過低的柵極電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)弱驅(qū)動(dòng)功率器件。如圖2所示驅(qū)動(dòng)單極性柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)，必須注意UVLO的預(yù)期工作，因?yàn)閁VLO通常以柵極驅(qū)動(dòng)器的地為基準(zhǔn)?？紤]一個(gè)案例，其中 V1= 15 V， V2= 9 V，柵極驅(qū)動(dòng)器UVLO約為11 V，這在IGBT操作中很常見。如果 V1如果降壓超過4 V，UVLO不會(huì)觸發(fā)，但I(xiàn)GBT將在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)到11 V以下，從而欠驅(qū)動(dòng)IGBT。

為此，可以使用兩個(gè)隔離電源創(chuàng)建兩個(gè)獨(dú)立的電壓源，但這種方法通常考慮成本。如果使用反激式拓?fù)洌瑒t可以使用多個(gè)繞組抽頭相對(duì)容易地獲得多個(gè)電壓。

有可以提供隔離電源的隔離電壓源模塊，一些制造商正在選擇有利于功率器件電壓的電壓。RECOM就是一個(gè)例子，IGBT等器件的目標(biāo)產(chǎn)品線可產(chǎn)生隔離的+15 V和–9 V電源軌。

對(duì)于如此大的電壓擺幅，柵極驅(qū)動(dòng)器必須能夠承受比舊器件目標(biāo)范圍更大的范圍。兩款適用于這些電壓的柵極驅(qū)動(dòng)器是ADI公司的ADuM4135和采用i耦合器技術(shù)的ADuM4136 IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器，其推薦電壓范圍允許高達(dá)30 V。兩者都在輸出側(cè)提供一個(gè)專用的接地引腳，允許驅(qū)動(dòng)器UVLO以正電源軌為基準(zhǔn)。ADuM4135還集成了一個(gè)米勒箝位，可進(jìn)一步幫助抑制米勒引起的導(dǎo)通柵極電壓凸起。?

從單個(gè)電壓源創(chuàng)建雙極性電源的一種簡(jiǎn)單方法是使用偏置齊納二極管創(chuàng)建第二個(gè)電壓源。雖然柵極驅(qū)動(dòng)器在功率器件的導(dǎo)通和關(guān)斷期間提供高電流，但電源實(shí)際需要的平均電流相對(duì)較低，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，通常在數(shù)十 mA范圍內(nèi)。

齊納二極管可以用于調(diào)節(jié)正電壓或負(fù)電壓，并可根據(jù)需要更高精度的電源軌進(jìn)行選擇。圖3所示的示例設(shè)置為調(diào)節(jié)正電壓多于負(fù)電壓。調(diào)節(jié)正電壓的一個(gè)原因可能是被驅(qū)動(dòng)的柵極對(duì)柵極電壓要求有嚴(yán)格的容差，例如某些GaN器件。調(diào)節(jié)正電源還有一個(gè)額外的好處，即允許柵極驅(qū)動(dòng)器的UVLO按預(yù)期工作，因?yàn)閂的任何波動(dòng)3將被齊納二極管衰減，直到V3太低，無法支持齊納電壓。

使用齊納二極管方法在單電源中產(chǎn)生兩個(gè)電源還具有節(jié)省布局的好處。齊納二極管和電阻不僅可以有效地取代整個(gè)隔離電壓源，而且通過使用單極性隔離柵極驅(qū)動(dòng)器，可以使用六引腳器件，例如采用i耦合器技術(shù)的ADI公司的ADuM4120，從而在隔離爬電區(qū)域節(jié)省更多柵極驅(qū)動(dòng)器IC周圍的空間。

圖3.齊納二極管示例。

齊納二極管雙極性設(shè)置的參考示例是使用ADI公司的ADuM4121和GaN Systems的GS66508T創(chuàng)建的，以創(chuàng)建半橋。該示例設(shè)計(jì)為+5 V和–4 V驅(qū)動(dòng)以器件源為基準(zhǔn)。通過使用不同的齊納二極管和相同的6 V隔離電源，該示例可以很容易地適應(yīng)+3 V和–9 V驅(qū)動(dòng)。較大的死區(qū)時(shí)間用于在視覺上將米勒凸塊與其他關(guān)斷瞬變區(qū)分開來，但實(shí)際上ADuM4121允許在數(shù)十ns范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更短的死區(qū)時(shí)間，這是高效GaN設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。

圖4.ADuM4121和GS66508T實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

創(chuàng)建可以減輕米勒效應(yīng)寄生導(dǎo)通的負(fù)柵極電壓驅(qū)動(dòng)不一定很復(fù)雜。許多現(xiàn)有的單極性工作柵極驅(qū)動(dòng)器都可以工作，以最少的外部電路輕松驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O負(fù)極。有一些影響需要考慮，例如有效的UVLO電壓，但這種操作的好處是很大的。

審核編輯：郭婷