在設(shè)計(jì) IGBT 或SiC FET 橋式電路時(shí)，正確設(shè)計(jì)柵極驅(qū)動(dòng)電路至少與晶體管選擇一樣重要，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)汽車等趨勢背后的主要推動(dòng)力。這些趨勢反過來又推動(dòng)了對(duì)高效電力轉(zhuǎn)換器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的更大需求。這些系統(tǒng)必須極其可靠，并且通常需要運(yùn)行長達(dá) 10 年或更長時(shí)間。
　　為了確保高可靠性，設(shè)計(jì)人員在為電路（例如逆變器或電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的 H 橋）選擇功率晶體管時(shí)會(huì)非常謹(jǐn)慎。但是，為了獲得最佳效果，他們應(yīng)該同樣注意設(shè)計(jì)和布置晶體管柵極驅(qū)動(dòng)電路，以防止晶體管的誤觸發(fā)，這可能會(huì)導(dǎo)致?lián)舸╇娏鳌＿@些短路電流會(huì)縮短晶體管的壽命，或者在最壞的情況下導(dǎo)致晶體管立即損壞。其他不良結(jié)果可能包括電磁干擾，這可能會(huì)使設(shè)備無法滿足 EMC 規(guī)定。
　　誤觸發(fā)可能是由于對(duì)晶體管寄生電容和電感中流動(dòng)的電流管理不善造成的，如圖 1 所示?！　〖纳?yīng)和相關(guān)電流可能會(huì)破壞柵極電壓的控制

　　圖 1：寄生效應(yīng)和相關(guān)電流可能會(huì)破壞柵極電壓的控制
　　寄生電容和誤觸發(fā)
　　考慮 Creverse 和 Cinput 之間的充電電流流動(dòng)。如果晶體管關(guān)閉時(shí)集電極-發(fā)射極電壓上升，則電流按照以下公式流入 Creverse：
　　`I_("Creverse")=C_("Reverse")*((dV_(CE))/(dt))`
　　參考圖1：
　　`I_("Cinput")=I_("Creverse")-I_("Driver")`
　　因此，充電電流流入 Cinput，可將寄生電容充電至高于柵極-發(fā)射極閾值電壓的電壓，從而使晶體管導(dǎo)通。Idriver 取決于柵極電阻，動(dòng)態(tài)操作中取決于電感 Lgate。后者取決于電路布局和所用的封裝。
　　設(shè)計(jì)人員可以調(diào)整各個(gè)方面，盡量減少因米勒電容流出的充電電流而導(dǎo)致誤觸發(fā)的可能性。一種解決方案可能是限制 dVCE/dt，以使開關(guān)斜坡和 IC反向曲線變平。這種方法的一個(gè)缺點(diǎn)是會(huì)增加開關(guān)損耗?；蛘?，優(yōu)化電路以減少寄生電感 Lgate 可以有效降低柵極電壓的上升。然而，更可預(yù)測的解決方案是施加負(fù)柵極發(fā)射極電壓，以將安全裕度擴(kuò)大到閾值電壓。
　　寄生電感的影響
　　寄生電感（例如 Lgate 和 L emitter ）也會(huì)導(dǎo)致誤觸發(fā)。接通時(shí)，負(fù)載電流會(huì)流過晶體管，因此也會(huì)流過 L emitter。如果負(fù)載電流突然關(guān)閉，則 Lemitter 會(huì)根據(jù)以下公式產(chǎn)生負(fù)電壓：
　　`-V=L_(“發(fā)射器”)*((dI)/(dt))`
　　這往往會(huì)使發(fā)射極電壓低于 GND。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器將柵極電壓發(fā)送到 GND 時(shí)，柵極-發(fā)射極電壓變?yōu)檎?，從而可以打開晶體管。
　　在橋式電路中，所有低側(cè)晶體管發(fā)射極都連接到電源地，每個(gè)晶體管的有效 L發(fā)射極都會(huì)受到其他晶體管的電感及其接地連接的影響。很難實(shí)現(xiàn)完美的對(duì)稱性。因此，一些晶體管更容易受到誤觸發(fā)的影響，并且在所有工作條件下都無法保證可預(yù)測的性能。
　　應(yīng)始終通過盡可能縮短導(dǎo)體和走線長度來最小化電路電感。但是，通過為每個(gè)晶體管使用隔離柵極驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器接地可以直接連接到晶體管發(fā)射極，從而消除布局電感的影響。通過使用提供與發(fā)射極的開爾文連接的晶體管，可以進(jìn)一步改善這種情況。將驅(qū)動(dòng)器接地連接到此開爾文連接可有效防止 L發(fā)射極影響導(dǎo)通行為。
　　此外，使用可以施加負(fù)柵極-發(fā)射極電壓的柵極驅(qū)動(dòng)器（即，不僅僅是將柵極保持在地電位）來保持晶體管關(guān)閉，可以增加?xùn)艠O-發(fā)射極電壓和晶體管閾值電壓之間的安全裕度。這可以非常有效地防止誤觸發(fā)。
　　設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路
　　上一節(jié)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)的能力有很大影響。
　　在使用 IGBT 進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，晶體管數(shù)據(jù)表中指定的典型柵極閾值電壓往往在 +3V 和 +6V 之間。隨著結(jié)溫升高，這些電壓可能會(huì)降至 1 到 2V。通常認(rèn)為 +15V 的柵極發(fā)射極電壓是最佳開啟電壓，以確保在常見操作條件下快速切換。如上所述，可以使用負(fù)柵極電壓關(guān)閉 IGBT。實(shí)踐證明，-9V 電壓是安全有效的?，F(xiàn)在，具有 +15V 和 -9V 非對(duì)稱電壓的雙隔離 DC/DC 轉(zhuǎn)換器通常用作 IGBT 驅(qū)動(dòng)器。
　　驅(qū)動(dòng) SiC FET
　　在需要高能效、小尺寸和低重量的應(yīng)用中，例如高端工業(yè)設(shè)備、逆變器或電動(dòng)汽車，碳化硅(SiC) MOSFET 正變得越來越受歡迎。SiC FET 的理想開啟和關(guān)閉電壓與 IGBT 的推薦電壓不同。
　　SiC FET 的閾值電壓明顯低于 IGBT。此外，給定 SiC FET 的電壓會(huì)隨著溫度升高而降低。從邏輯上講，這表明需要更大的柵極負(fù)偏移電壓來關(guān)閉器件并防止誤觸發(fā)。閾值電壓會(huì)在其使用壽命內(nèi)降低。如果電路以 -5V 的柵極-源極電壓運(yùn)行，則在 1000 小時(shí)的使用壽命內(nèi)，該降低通常在 0.2V-0.3V 之間。在此之后，閾值電壓保持穩(wěn)定。
　　如果柵極-源極電壓為 -10V，變化大約是原來的五倍，晶體管之間的差異也很大。研究發(fā)現(xiàn)，這些差異非常大，以至于一些器件在 0V 時(shí)就已經(jīng)“正常開啟”。因此，為了確保設(shè)備在整個(gè)使用壽命期間的性能一致，設(shè)計(jì)人員在使用 SiC FET 時(shí)不應(yīng)施加低于 -5V 的柵極失調(diào)電壓值。
　　另一方面，+15V 的正電壓（如 IGBT 所用）在理論上是可行的。由于閾值電壓遠(yuǎn)低于 IGBT，+15V 應(yīng)能確保 SiC FET 中的可靠開關(guān)行為。然而，不同柵源電壓下的輸出特性表明，更高的電壓將實(shí)現(xiàn)更低的導(dǎo)通電阻 RDS(ON)。+20V 的柵源電壓可充分發(fā)揮 SiC FET 的優(yōu)勢。因此，以 +20V/-5V 運(yùn)行的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是為驅(qū)動(dòng)器供電的不錯(cuò)選擇。
　　此外，所選的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器還必須提供高隔離度。IGBT 的典型開關(guān)頻率在 10kHz-50kHz 范圍內(nèi)，而 SiC FET 的典型開關(guān)頻率在 50kHz 以上，這會(huì)導(dǎo)致陡峭的斜坡，使轉(zhuǎn)換器的絕緣屏障承受反復(fù)的大應(yīng)力。尺寸過緊的絕緣會(huì)降低系統(tǒng)的長期可靠性。　　專門為功率晶體管柵極驅(qū)動(dòng)器供電而設(shè)計(jì)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，可提供不對(duì)稱電壓輸出和高隔離，RxxP22005 的額定隔離電壓高達(dá) 4kV 或 5.2kV。圖 x 和 x 顯示了如何使用這些轉(zhuǎn)換器來控制 IGBT 或 SiC-FET 柵極驅(qū)動(dòng)器。

　　
　　圖 2：由雙非對(duì)稱隔離 DC/DC 轉(zhuǎn)換器供電的 IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)器

　　圖 3：由雙非對(duì)稱隔離 DC/DC 轉(zhuǎn)換器供電的 SiC-FET 柵極驅(qū)動(dòng)器
　　結(jié)論
　　在需要堅(jiān)固可靠的功率晶體管橋的系統(tǒng)中，正確設(shè)計(jì)晶體管柵極驅(qū)動(dòng)器電路至少與選擇功率晶體管本身一樣重要。眾所周知，非對(duì)稱開啟/關(guān)閉電壓和負(fù)偏移關(guān)閉是有效的，應(yīng)與最佳布局實(shí)踐結(jié)合使用：保持連接短以最大限度地減少電感，理想情況下（在設(shè)計(jì) IGBT 橋時(shí)）通過開爾文連接將驅(qū)動(dòng)器接地直接連接到晶體管發(fā)射極。
　　驅(qū)動(dòng)器電路必須隔離，以便驅(qū)動(dòng)器接地能夠直接連接到晶體管。無論是在驅(qū)動(dòng)器中，還是在用于為驅(qū)動(dòng)器供電的雙非對(duì)稱 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中，強(qiáng)大的隔離對(duì)于確保長期可靠性都至關(guān)重要。
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