如何使單極性柵極驅動器提供雙極性電壓

2020-11-30 電子發燒友

如何使單極性柵極驅動器提供雙極性電壓

胡薇 發表於 2018-11-14 09:19:39

是否需要專門的柵極驅動器來提供正負電壓？

不需要。可以調整單極性柵極驅動器，改用雙極性方式驅動。如果一個特殊的功率器件需要正負柵極驅動，電路設計人員無需特別尋找可進行雙極性操作的特殊柵極驅動器。使用一個簡單的技巧，就可以使單極性柵極驅動器提供雙極性電壓！

當驅動中/高功率MOSFET和IGBT時，一旦功率器件上的電壓變化速率較高，就會存在密勒效應導通風險。電流通過柵極-漏極電容或柵極-集電極電容注入到功率器件的柵極。如果電流注入足夠大，使柵極電壓高於器件的閾值電壓，則可以觀察到寄生導通效應，從而導致效率降低，甚至出現器件故障。

通過使用一個從功率器件柵極到源極或漏極的超低阻抗路徑，或者通過為柵極提供一個相對於源極或漏極的負驅動電壓，可以緩解密勒效應。密勒效應導通緩解技術的目標是當通過密勒電容的電流達到尖峰時，保持柵極電壓在期望的閾值以下。

某些功率器件類型的完全關斷甚至需要負電壓，必須要求來自柵極驅動器的負電壓驅動。器件製造商建議使用負柵極驅動電壓的器件包括標準的矽基MOSFET、IGBT、SiC和GaN器件。

可在副邊（功率器件驅動邊）單極性電源下工作的隔離柵極驅動器種類繁多，但是，允許顯式雙極性電壓驅動的柵極驅動器器件相比之下要少很多。克服缺少負柵極驅動器件的一種方法是將柵極驅動器件相對於功率器件偏移，從而形成相對於功率器件的源極或漏極的負柵極驅動電壓，而柵極驅動器IC仍然只看到單極性電源。單極性和雙極性柵極驅動波形示例如圖1所示。

圖1. (a)單極性和(b)雙極性柵極驅動波形。

一個具有理想電壓源的原理圖如圖2所示。在這個示例中，驅動器IC的供電電壓等於V1、V2之和，而MOSFET的柵極驅動電壓為導通狀態下的+V1和關斷狀態下的–V2（相對於MOSFET的源極節點）。請注意，在此示例中，兩個電壓源都已使用單獨的電容去耦。柵極驅動器IC的有效去耦是電容的串聯組合，小於每個單獨電容的容值。如有需要，可以在V DD和GND之間添加額外的去耦，但最重要的是要保持C1和C2作為提供低阻抗路徑柵極電流的電容，在打開和關閉期間各自獨立。

隔離柵極驅動器IC通常帶有欠壓閉鎖 (UVLO)，以防止柵極驅動器的柵極電壓太低時，功率器件發生弱驅動。如圖2所示，在驅動單極性柵極驅動器時，必須注意UVLO的預期操作，因為UVLO通常以柵極驅動器的地為基準。考慮V1 = 15 V，V2 = 9 V，且柵極驅動器UVLO約為11 V的情況，這是常見的IGBT的工作狀況。如果V1下降超過4 V，則UVLO不會觸發，但在導通期間將在11 V以下驅動IGBT，因此IGBT發生欠壓驅動。

為了解決這一問題，可以通過使用兩個隔離電源來創建兩個單獨的電壓源，但這種方法的成本往往令人擔憂。如果使用反激式拓撲，則可以使用多個繞組抽頭，從而可以相對容易地獲得多個電壓。有些隔離電源模塊可以提供隔離電源，並且一些製造商正選用適合功率器件的電壓。其中一個例子是RECOM，其針對IGBT的器件產品線生成+15 V和-9 V的隔離電源軌。

圖2. 雙極性電源的設置示例。

圖3. 齊納二極體示例。

對於如此大的電壓擺幅，柵極驅動器所能承受的電壓範圍必須比其他器件更大。ADI採用i Coupler ®技術的ADuM4135和ADuM4136 IGBT 柵極驅動器能在這種電壓範圍下正常工作，它們的建議電壓範圍可高達30 V。兩款器件在輸出邊都提供了一個專門的接地引腳，使驅動器的UVLO能夠以正電源軌為基準。ADuM4135還包括一個集成的密勒箝位，可進一步抑制密勒效應導致的柵極電壓突變。

從單電壓源產生雙極性電源的一個簡單方法是使用偏置齊納二極體以生成第二個電壓源。雖然柵極驅動器在功率器件的導通和關斷期間提供高電流，但是實際需要電源提供的平均電流相對較低，對於大多數應用而言通常在幾十毫安範圍內。

使用齊納二極體既可以調節正電壓，又可以調節負電壓，並且可以基於哪個電壓軌需要更高的精度來進行選擇。圖3所示的設置示例是調節正電壓，而不是負電壓。需要正電壓調節的一個可能原因是，柵極驅動器對柵極電壓有嚴格的容差要求（例如某些GaN器件的情況）。調節正電源還有一個額外的優勢，即允許柵極驅動器的UVLO按預期工作，因為V3的任何波動都會被齊納二極體衰減，直到V3低至無法提供齊納二極體的工作電壓。

使用齊納二極體由一個電源生成兩個電源還具有節省布局空間的優勢。齊納二極體和電阻不僅有效地取代了整個隔離電壓源，而且通過使用單極性隔離柵極驅動器，可以採用六引腳器件（例如ADI採用iCoupler技術的ADuM4120），從而可在柵極驅動器IC附近的隔離爬電區域節省更多空間。

使用ADI的ADuM4121和GaN Systems的GS66508T創建的齊納二極體雙極性設置參考示例，可創建一個半橋。這個示例的設計旨在以器件源極為基準生成一個+5 V和–4 V驅動。通過使用不同的齊納二極體和相同的9V隔離電源，可以很輕鬆地將這個示例改為+6 V和-3 V驅動。較大的死區時間用於將密勒突變與其他關斷瞬變從視覺上區分開，但實際上，ADuM4121可實現更短的死區時間（幾十納秒範圍內）,這是高效GaN設計的一個重要指標。

圖4. ADuM4121和GS66508T的實驗結果。

創建可以緩解密勒效應寄生導通的柵極負電壓驅動器並不一定很複雜。許多現有的單極性工作的柵極驅動器，藉助很少的外部電路就可以輕鬆驅動柵極負電壓。確實還需要考慮一些其他因素（如有效UVLO電壓），但這種方法的優勢更大。

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