Ryan Schnell

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

當(dāng)驅(qū)動中高功率MOSFET和IGBT時，當(dāng)功率器件兩端出現(xiàn)高電壓變化率時，存在米勒效應(yīng)引起的導(dǎo)通風(fēng)險。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)動至相對于源極或漏極的負電壓，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，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電壓才能完全關(guān)斷，因此需要來自柵極驅(qū)動器的某種負電壓驅(qū)動。推薦使用負柵極驅(qū)動電壓的設(shè)備制造商包括標(biāo)準(zhǔn)硅 MOSFET、IGBT、SiC 和 GaN 器件。

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

圖1.（a） 單極性和（b） 雙極性柵極驅(qū)動波形。

圖2顯示了理想電壓源的原理圖。在本例中，驅(qū)動器IC由等于V之和的電壓供電1和 V2，而MOSFET的柵極被驅(qū)動至+V1處于 ON 狀態(tài)和 –V2處于關(guān)斷狀態(tài)，相對于 MOSFET 源極節(jié)點。請注意，在本例中，兩個電壓源都與單獨的電容器去耦。柵極驅(qū)動器IC看到的有效去耦是電容器的串聯(lián)組合，它小于每個電容器的值。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因為電容器分別在導(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)動器IC通常帶有欠壓鎖定（UVLO），以防止在柵極驅(qū)動器以過低的柵極電壓驅(qū)動時弱驅(qū)動功率器件。如圖2所示驅(qū)動單極性柵極驅(qū)動器時，必須注意UVLO的預(yù)期工作，因為UVLO通常以柵極驅(qū)動器的地為基準(zhǔn)?？紤]一個案例，其中 V1= 15 V， V2= 9 V，柵極驅(qū)動器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不會觸發(fā)，但IGBT將在導(dǎo)通時間內(nèi)驅(qū)動到11 V以下，從而欠驅(qū)動IGBT。

為此，可以使用兩個隔離電源創(chuàng)建兩個獨立的電壓源，但這種方法通?？紤]成本。如果使用反激式拓撲，則可以使用多個繞組抽頭相對容易地獲得多個電壓。

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。

對于如此大的電壓擺幅，柵極驅(qū)動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)動器，其推薦電壓范圍允許高達30 V。兩者都在輸出側(cè)提供一個專用的接地引腳，允許驅(qū)動器UVLO以正電源軌為基準(zhǔn)。ADuM4135還集成了一個米勒箝位，可進一步幫助抑制米勒引起的導(dǎo)通柵極電壓凸起。?

從單個電壓源創(chuàng)建雙極性電源的一種簡單方法是使用偏置齊納二極管創(chuàng)建第二個電壓源。雖然柵極驅(qū)動器在功率器件的導(dǎo)通和關(guān)斷期間提供高電流，但電源實際需要的平均電流相對較低，對于大多數(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)正電壓或負電壓，并可根據(jù)需要更高精度的電源軌進行選擇。圖3所示的示例設(shè)置為調(diào)節(jié)正電壓多于負電壓。調(diào)節(jié)正電壓的一個原因可能是被驅(qū)動的柵極對柵極電壓要求有嚴(yán)格的容差，例如某些GaN器件。調(diào)節(jié)正電源還有一個額外的好處，即允許柵極驅(qū)動器的UVLO按預(yù)期工作，因為V的任何波動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隔離電壓源，而且通過使用單極性隔離柵極驅(qū)動器，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)計為+5 V和–4 V驅(qū)動以器件源為基準(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。較大的死區(qū)時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，但實際上ADuM4121允許在數(shù)十ns范圍內(nèi)實現(xiàn)更短的死區(qū)時間，這是高效GaN設(shè)計的重要指標(biāo)。

圖4.ADuM4121和GS66508T實驗結(jié)果。

創(chuàng)建可以減輕米勒效應(yīng)寄生導(dǎo)通的負柵極電壓驅(qū)動不一定很復(fù)雜。許多現(xiàn)有的單極性工作柵極驅(qū)動器都可以工作，以最少的外部電路輕松驅(qū)動?xùn)艠O負極。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