在設計 IGBT 或SiC FET 橋式電路時，正確設計柵極驅(qū)動電路至少與晶體管選擇一樣重要，以確保高可靠性
　　對環(huán)境的關注是可再生能源、智能工業(yè)和電動汽車等趨勢背后的主要推動力。這些趨勢反過來又推動了對高效電力轉(zhuǎn)換器和電機驅(qū)動器的更大需求。這些系統(tǒng)必須極其可靠，并且通常需要運行長達 10 年或更長時間。
　　為了確保高可靠性，設計人員在為電路（例如逆變器或電機驅(qū)動器的 H 橋）選擇功率晶體管時會非常謹慎。但是，為了獲得最佳效果，他們應該同樣注意設計和布置晶體管柵極驅(qū)動電路，以防止晶體管的誤觸發(fā)，這可能會導致?lián)舸╇娏鳌＿@些短路電流會縮短晶體管的壽命，或者在最壞的情況下導致晶體管立即損壞。其他不良結(jié)果可能包括電磁干擾，這可能會使設備無法滿足 EMC 規(guī)定。
　　誤觸發(fā)可能是由于對晶體管寄生電容和電感中流動的電流管理不善造成的，如圖 1 所示。　　寄生效應和相關電流可能會破壞柵極電壓的控制

　　圖 1：寄生效應和相關電流可能會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。如果晶體管關閉時集電極-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，從而使晶體管導通。Idriver 取決于柵極電阻，動態(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。
　　設計人員可以調(diào)整各個方面，盡量減少因米勒電容流出的充電電流而導致誤觸發(fā)的可能性。一種解決方案可能是限制 dVCE/dt，以使開關斜坡和 IC反向曲線變平。這種方法的一個缺點是會增加開關損耗。或者，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，更可預測的解決方案是施加負柵極發(fā)射極電壓，以將安全裕度擴大到閾值電壓。
　　寄生電感的影響
　　寄生電感（例如 Lgate 和 L emitter ）也會導致誤觸發(fā)。接通時，負載電流會流過晶體管，因此也會流過 L emitter。如果負載電流突然關閉，則 Lemitter 會根據(jù)以下公式產(chǎn)生負電壓：
　　`-V=L_(“發(fā)射器”)*((dI)/(dt))`
　　這往往會使發(fā)射極電壓低于 GND。當驅(qū)動器將柵極電壓發(fā)送到 GND 時，柵極-發(fā)射極電壓變?yōu)檎担瑥亩梢源蜷_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，每個晶體管的有效 L發(fā)射極都會受到其他晶體管的電感及其接地連接的影響。很難實現(xiàn)完美的對稱性。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測的性能。
　　應始終通過盡可能縮短導體和走線長度來最小化電路電感。但是，通過為每個晶體管使用隔離柵極驅(qū)動器，驅(qū)動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，可以進一步改善這種情況。將驅(qū)動器接地連接到此開爾文連接可有效防止 L發(fā)射極影響導通行為。
　　此外，使用可以施加負柵極-發(fā)射極電壓的柵極驅(qū)動器（即，不僅僅是將柵極保持在地電位）來保持晶體管關閉，可以增加柵極-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)。
　　設計驅(qū)動電路
　　上一節(jié)已經(jīng)表明，驅(qū)動電路的性能對晶體管抵抗誤觸發(fā)的能力有很大影響。
　　在使用 IGBT 進行設計時，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，這些電壓可能會降至 1 到 2V。通常認為 +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，可以使用負柵極電壓關閉 IGBT。實踐證明，-9V 電壓是安全有效的。現(xiàn)在，具有 +15V 和 -9V 非對稱電壓的雙隔離 DC/DC 轉(zhuǎn)換器通常用作 IGBT 驅(qū)動器。
　　驅(qū)動 SiC FET
　　在需要高能效、小尺寸和低重量的應用中，例如高端工業(yè)設備、逆變器或電動汽車，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偏移電壓來關閉器件并防止誤觸發(fā)。閾值電壓會在其使用壽命內(nèi)降低。如果電路以 -5V 的柵極-源極電壓運行，則在 1000 小時的使用壽命內(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 時就已經(jīng)“正常開啟”。因此，為了確保設備在整個使用壽命期間的性能一致，設計人員在使用 SiC FET 時不應施加低于 -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。由于閾值電壓遠低于 IGBT，+15V 應能確保 SiC FET 中的可靠開關行為。然而，不同柵源電壓下的輸出特性表明，更高的電壓將實現(xiàn)更低的導通電阻 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 運行的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是為驅(qū)動器供電的不錯選擇。
　　此外，所選的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器還必須提供高隔離度。IGBT 的典型開關頻率在 10kHz-50kHz 范圍內(nèi)，而 SiC FET 的典型開關頻率在 50kHz 以上，這會導致陡峭的斜坡，使轉(zhuǎn)換器的絕緣屏障承受反復的大應力。尺寸過緊的絕緣會降低系統(tǒng)的長期可靠性。　　專門為功率晶體管柵極驅(qū)動器供電而設計的轉(zhuǎn)換器，例如用于 IGBT 應用的 RECOM RKZ1509，或用于 SiC-FET 應用的 RKZ2005 或 RxxP22005，可提供不對稱電壓輸出和高隔離，RxxP22005 的額定隔離電壓高達 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)動器。

　　
　　圖 2：由雙非對稱隔離 DC/DC 轉(zhuǎn)換器供電的 IGBT 柵極驅(qū)動器

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