利用有源米勒鉗位技術(shù)有效緩解緩米勒效應(yīng)

序言

當(dāng)IGBT在開(kāi)關(guān)時(shí)普遍會(huì)遇到的一個(gè)問(wèn)題即寄生米勒電容開(kāi)通期間的米勒平臺(tái)。米勒效應(yīng)在單電源門(mén)極驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中影響是很明顯的?；陂T(mén)極G與集電極C之間的耦合，在IGBT關(guān)斷期間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很高的瞬態(tài)dv/dt，這樣會(huì)引發(fā)門(mén)極VGE間電壓升高而導(dǎo)通，這是一個(gè)潛在的風(fēng)險(xiǎn)（如圖1）。

圖1：下管IGBT因?yàn)榧纳桌针娙荻饘?dǎo)通

寄生米勒電容引起的導(dǎo)通

在半橋拓?fù)渲?，?dāng)上管IGBT（S1）正在導(dǎo)通， 產(chǎn)生變化的電壓dV/dt加在下管IGBT（S1）C-E間。電流流經(jīng)S2的寄生米勒電容CCG 、門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻RG 、內(nèi)部集成門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻RDRIVER ，如圖1所示。電流大小大致可以如下公式進(jìn)行估算：

這個(gè)電流產(chǎn)生使門(mén)極電阻兩端產(chǎn)生電壓差，這個(gè)電壓如果超過(guò)IGBT的門(mén)極驅(qū)動(dòng)門(mén)限閾值，將導(dǎo)致寄生導(dǎo)通。設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該意識(shí)到IGBT節(jié)溫上升會(huì)導(dǎo)致IGBT門(mén)極驅(qū)動(dòng)閾值會(huì)有所下降，通常就是mv/℃級(jí)的。

當(dāng)下管IGBT（S2）導(dǎo)通時(shí)，寄生米勒電容引起的導(dǎo)通同樣會(huì)發(fā)生在S1上。

減緩米勒效應(yīng)的解決方法

通常有三種傳統(tǒng)的方法來(lái)解決以上問(wèn)題：第一種方法是改變門(mén)極電阻（如圖2）；第二種方法是在在門(mén)極G和射極E之間增加電容（如圖3）；第三種方法是采用負(fù)壓驅(qū)動(dòng)（如圖4）。除此之外，還有一種簡(jiǎn)單而有效的解決方案即有源鉗位技術(shù)（如圖5）。

獨(dú)立的門(mén)極開(kāi)通和關(guān)斷電阻

門(mén)極導(dǎo)通電阻RGON影響IGBT導(dǎo)通期間的門(mén)極充電電壓和電流；增大這個(gè)電阻將減小門(mén)極充電的電壓和電流，但會(huì)增加開(kāi)通損耗。

寄生米勒電容引起的導(dǎo)通通過(guò)減小關(guān)斷電阻RGOFF可以有效抑制。越小的RGOFF同樣也能減少I(mǎi)GBT的關(guān)斷損耗，然而需要付出的代價(jià)是在關(guān)斷期間由于雜散電感會(huì)產(chǎn)生很高的過(guò)壓尖峰和門(mén)極震蕩。

圖2：獨(dú)立的門(mén)極開(kāi)通和關(guān)斷電阻

增加G-E間電容以限制米勒電流

G-E間增加電容CG將影響IGBT開(kāi)關(guān)的特性。CG分擔(dān)了米勒電容產(chǎn)生的門(mén)極充電電流，鑒于這種情況，IGBT的總的輸入電容為CG||CG’。門(mén)極充電要達(dá)到門(mén)極驅(qū)動(dòng)的閾值電壓需要更多的電荷（如圖3）。

圖3：G-E間增加電容

因?yàn)镚-E間增加電容，驅(qū)動(dòng)電源功耗會(huì)增加，相同的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻情況下IGBT的開(kāi)關(guān)損耗也會(huì)增加。

采用負(fù)電源以提高門(mén)限電壓

采用門(mén)極負(fù)電壓來(lái)安全關(guān)斷，特別是IGBT模塊在100A以上的應(yīng)用中，是很典型的運(yùn)用。在IGBT模塊100A以下的應(yīng)用中，處于成本原因考慮，負(fù)門(mén)極電壓驅(qū)動(dòng)很少被采用。典型的負(fù)電源電壓電路如圖4。

圖4：負(fù)電源電壓

增加負(fù)電源供電增加設(shè)計(jì)復(fù)雜度，同時(shí)也增大設(shè)計(jì)尺寸。

有源米勒鉗位解決方案

為了避免RG優(yōu)化問(wèn)題、CG的損耗和效率、負(fù)電源供電增加成本等問(wèn)題，另一種通過(guò)門(mén)極G與射極E短路的方法被采用來(lái)抑制因?yàn)榧纳桌针娙輰?dǎo)致的意想不到的開(kāi)通。這種方法可以在門(mén)極G與射極E之間增加三級(jí)管來(lái)實(shí)現(xiàn)，在VGE電壓達(dá)到某個(gè)值時(shí)，門(mén)極G與射極E的短路開(kāi)關(guān)（三級(jí)管）將觸發(fā)工作。這樣流經(jīng)米勒電容的電流將通過(guò)三極管旁路而不至于流向驅(qū)動(dòng)器引腳VOUT。這種技術(shù)就叫有源米勒鉗位技術(shù)（如圖5）。

圖5：有源米勒鉗位采用外加三極管

增加三級(jí)管將增加驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜度。

結(jié)論

以上闡述的四種技術(shù)的對(duì)比如下表1

在最近幾年時(shí)間里，高度集成的門(mén)極驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)包含有源米勒鉗位解決方案并帶有飽和壓降保護(hù)、欠電壓保護(hù)，有如AVAGO技術(shù)的ACPL-331J和ACPL-332J，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)者和工業(yè)/消費(fèi)生產(chǎn)商來(lái)說(shuō)，這將降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和產(chǎn)品尺寸。

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