驅(qū)動電路設(shè)計(jì)是功率半導(dǎo)體應(yīng)用的難點(diǎn)，涉及到功率半導(dǎo)體的動態(tài)過程控制及器件的保護(hù)，實(shí)踐性很強(qiáng)。為了方便實(shí)現(xiàn)可靠的驅(qū)動設(shè)計(jì)，英飛凌的驅(qū)動集成電路自帶了一些重要的功能，本系列文章將以雜談的形式講述技術(shù)背景，然后詳細(xì)講解如何正確理解和應(yīng)用驅(qū)動器的相關(guān)功能。
什么是誤導(dǎo)通
圖1是最基本的半橋電路，上管開通的波形如圖2所示，這時(shí)下管VT2驅(qū)動電壓為零，已經(jīng)關(guān)斷了。
圖1. IGBT半橋電路
由圖2可以看出IGBT VT1有兩個(gè)明顯的集電極峰值電流。第一個(gè)電流尖峰工程師都很熟悉，是來源于下橋臂IGBT的續(xù)流二極管VD2的反向恢復(fù)電流。注意到?jīng)]有，UCE還沒有達(dá)到飽和電壓時(shí)又出現(xiàn)了第二個(gè)電流尖峰，持續(xù)時(shí)間不長，大約為50ns，分析可以確認(rèn)這是由于IGBT VT2的瞬時(shí)開通導(dǎo)致的。
正常情況下，幾十納秒的脈沖電流還不至于會直接損壞功率半導(dǎo)體器件，然而，額外的損耗是逃不了的，會導(dǎo)致嚴(yán)重的結(jié)溫升高，降低器件的壽命。另外產(chǎn)生的振蕩會干擾驅(qū)動電路和控制電路，造成工作異常。
圖2. 半橋電路上管VT1開通時(shí)的波形
為什么會誤導(dǎo)通？
當(dāng)開通半橋電路下橋臂IGBT VT2時(shí),上橋臂IGBT VT1就會產(chǎn)生電壓快速上升dUCE/dt，其在密勒電容CGC產(chǎn)生電流iGC，即：
圖3. 密勒電容引起寄生開通
該電流iGC將通過IGBT內(nèi)部柵極電阻RGint、外部柵極電阻RGext，和驅(qū)動內(nèi)部電阻RDr，最后到電源地(這里,電源地和IGBT VT1發(fā)射極同電位)，并產(chǎn)生柵極電壓，幅值為：
一旦這時(shí)柵極電壓UGE高于IGBT的閾值電壓UGE(TO)，就會產(chǎn)生寄生開通。如果IGBT VT2已經(jīng)導(dǎo)通，這將導(dǎo)致短路。好在這類短路持續(xù)的時(shí)間很短,通常大約是10~100ns，一般IGBT都能承受。
在功率半導(dǎo)體的寄生參數(shù)中，除了寄生電容CGC，還有另外一個(gè)寄生電容CGE。部分iGC電流將會通過該電容直接到電源地。
圖4. IGBT的寄生電容
英飛凌IGBT7采用微溝槽技術(shù)，溝槽密度高，所以可以多做一些溝槽，其中一部分做成偽溝槽，這樣可以優(yōu)化CGC和CGE比值，減小誤導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn)，使得IGBT更好用。
SiC MOSFET的dUCE/dt更高，好在SiC的密勒電容只有IGBT的十分之一左右。
工程師可能也會想到在柵極和發(fā)射極之間外接個(gè)電容CGE也可以降低密勒效應(yīng)，但需要注意的是額外電容CGE將影響IGBT的開通特性（參考資料2中的第6章6.6.2節(jié)）。通常,為了抑制或衰減不需要的振蕩,可以用一個(gè)小電阻和電容串聯(lián)。
米勒鉗位電路
外接個(gè)電容CGE分流是一種古老的思路，集成電路時(shí)代一定會考慮用有源器件來實(shí)現(xiàn)同樣或更好的功能，這就是米勒鉗位功能。
以EiceDRIVER™ F3為例，該柵極驅(qū)動器增加了一個(gè)CLAMP管腳，跳過外接的柵極電阻RG直接連接到功率管的柵極，并保證盡可能低的寄生電感。CLAMP功能腳在鉗位非激活狀態(tài)下監(jiān)測柵極電壓，一旦柵極電壓相對于VEE2低于2V，便開通CLAMP與VEE2之間MOSFET，提供米勒電流低阻抗通路，防止寄生導(dǎo)通。鉗位電路在柵極驅(qū)動器再次開通之前保持激活狀態(tài)。
圖5. EiceDRIVER™ F3 1ED332xMC12N的米勒鉗位
米勒鉗位pre-drive
當(dāng)米勒鉗位信號走線電感比較大或者大功率器件米勒電流比較大的情況下，驅(qū)動芯片自帶的米勒鉗位表現(xiàn)并不理想。一般芯片的米勒鉗位能力只有2A左右，這會降低大功率IGBT的鉗位能力。這時(shí)可以選擇帶有外部MOSFET的預(yù)驅(qū)動器輸出的驅(qū)動芯片產(chǎn)品，比如圖6的英飛凌1ED3491。
圖6. 帶米勒預(yù)驅(qū)的芯片產(chǎn)品
外部的小信號N溝道MOSFET晶體管與驅(qū)動器CLAMPDRV腳相連，可實(shí)現(xiàn)大電流的箝位。如圖6將MOSFET連接到CLAMPDRV輸出、VEE2引腳和IGBT柵極之間。由于采用了米勒預(yù)驅(qū)動配置，鉗位電流僅受外部鉗位MOSFET晶體管的限制。根據(jù)外部MOSFET的不同，米勒電流鉗位可達(dá)20A。鉗位 MOSFET必須靠近IGBT柵極，以盡量減少米勒電流泄放通路的電阻和電感。
英飛凌帶米勒鉗位的工業(yè)應(yīng)用驅(qū)動器產(chǎn)品：
EiceDRIVER™ Compact隔離柵極驅(qū)動器IC
■ X3 Compact：1ED3122MC12H、1ED3127MU12F、1ED3125MU12F
■ 2L-SRC Compact：1ED3251MC12H、1ED3250MC12H
在EiceDRIVER™ Enhanced系列隔離柵極驅(qū)動器IC
■ F3系列1ED332x
■ X3 Analog系列1ED34x1
■ X3 Digital系列1ED38x0
X3 Analog模擬系列的柵極驅(qū)動器1ED3491和X3 Digital數(shù)字系列的柵極驅(qū)動器1ED3890提供米勒鉗位預(yù)驅(qū)動器，可驅(qū)動一個(gè)外部MOSFET，該MOSFET可以放置在非常靠近SiC MOSFET的地方，以減小寄生電感，獲得最好的鉗位效果。
電平位移驅(qū)動器：
2ED1323S12P電平位移柵極驅(qū)動器同時(shí)提供了有源米勒鉗位功能和過電流（ITRIP）保護(hù)。
米勒鉗位不是萬能的
IGBT模塊由芯片并聯(lián)實(shí)現(xiàn)大電流的，為了均流，芯片上自帶柵極電阻，數(shù)據(jù)手冊上能找到具體數(shù)值。這一柵極電阻會影響密勒鉗位的效果。盡管采用了密勒鉗位，根據(jù)IGBT和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不同，柵極電壓仍可能引起IGBT寄生開通。在這種情況下，建議最好避免采用單電源，正負(fù)電源可以更有效解決米勒導(dǎo)通問題。
系列文章
驅(qū)動電路設(shè)計(jì)（一）——驅(qū)動器的功能綜述
驅(qū)動電路設(shè)計(jì)（二）——驅(qū)動器的輸入側(cè)探究
驅(qū)動電路設(shè)計(jì)（三）---驅(qū)動器的隔離電源雜談
驅(qū)動電路設(shè)計(jì)（四）---驅(qū)動器的自舉電源綜述
驅(qū)動電路設(shè)計(jì)（五）——驅(qū)動器的自舉電源穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)
驅(qū)動電路設(shè)計(jì)（六）——驅(qū)動器的自舉電源動態(tài)過程
驅(qū)動電路設(shè)計(jì)（七）——自舉電源在5kW交錯調(diào)制圖騰柱PFC應(yīng)用
參考資料
1.英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體驅(qū)動技術(shù)合集
2. IGBT模塊：技術(shù)、驅(qū)動和應(yīng)用 機(jī)械工業(yè)出版社
3. Datasheet EiceDRIVER™ 1ED332xMC12N Enhanced (1ED-F3)
4. AN 2022-03 EiceDRIVER™ F3——具有短路保護(hù)功能的單通道增強(qiáng)型隔離柵極驅(qū)動器系列
5. AN-2021-03 Technical description 1ED324xMC12H_1ED325xMC12H Application Notes