在設計 IGBT 或 SiC FET 橋接電路時，門驅動電路的正確設計與選擇晶體管同樣重要，以確保高可靠性。對環境的關注是可再生能源、智能工業和電動出行等趨勢背后的主要推動力。這些趨勢又進一步推動了對高效電力轉換器和電機驅動器的需求。這些系統必須非常可靠，通常要求其工作壽命達到 10 年或更長時間。

為了確保高可靠性，設計師在選擇電路中如逆變器或電機驅動的 H 橋功率晶體管時，會非常謹慎。然而，為了獲得最佳效果，他們應同樣重視設計和布局晶體管門驅動電路，以防止晶體管的誤觸發，因為誤觸發可能導致穿通電流。這些短路電流可能縮短晶體管的使用壽命，甚至在最壞的情況下導致立即損壞。其他不良后果包括電磁干擾，可能導致設備無法滿足 EMC 法規。

誤觸發可能源于對晶體管寄生電容和電感中流動電流的管理不善，如圖 1 所示。

寄生電容與誤觸發

考慮 Creverse 和 Cinput 之間的充電電流流動。如果在晶體管關閉時集電極-發射極電壓上升，電流會根據以下公式流入 Creverse：

I_("Creverse")=C_("Reverse")*((dV_(CE))/(dt))

根據圖 1：

I_("Cinput")=I_("Creverse")-I_("Driver")

因此，充電電流流入 Cinput，可能會將寄生電容充至超出門-發射極閾值電壓的電壓，導致晶體管導通。Idriver 依賴于門電阻以及在動態操作中電感 Lgate，后者取決于電路布局和所用封裝。

設計師可以調整各種參數，以盡量減少由米勒電容流動的充電電流引起的誤觸發的可能性。一種解決方案可能是限制 dVCE/dt，以平坦開關斜率和 ICreverse 曲線。這種方法的一個缺點是會增加開關損耗作為副作用。或者，通過優化電路以降低寄生電感 Lgate，可以有效減少門電壓的上升。然而，更可預測的解決方案是施加負的門-發射極電壓，以擴大閾值電壓的安全裕度。

寄生電感的影響

誤觸發還可能源于寄生電感(如 Lgate 和 Lemitter)的影響。當晶體管打開時，負載電流通過晶體管流動，因此也流過 Lemitter。如果負載電流突然關閉，Lemitter 會根據以下公式產生負電壓：

-V=L_("Emitter")*((dI)/(dt))

這會使發射極電壓降低到 GND 以下。當驅動器將門電壓拉至 GND 時，門-發射極電壓變為正，可能導致晶體管導通。

在橋接電路中，所有低側晶體管的發射極都連接到電源接地，因此每個晶體管的有效 Lemitter 會受到其他晶體管及其接地連接的電感的影響。完美的對稱性難以實現。因此，某些晶體管可能更容易受到誤觸發的影響，且在所有工作條件下無法保證可預測的性能。

電路電感應始終通過盡可能縮短導體和走線長度來最小化。然而，通過為每個晶體管使用隔離式門驅動器，驅動器接地可以直接連接到晶體管的發射極，從而消除布局電感的影響。通過使用提供凱爾文連接的晶體管，可以進一步改善這種情況。將驅動器接地連接到該凱爾文連接有效地防止了 Lemitter 影響導通行為。

此外，使用能夠施加負門-發射極電壓的門驅動器，即不僅僅是將門保持在地電位，以保持晶體管關閉，可以增加門-發射極電壓與晶體管閾值電壓之間的安全裕度。這在防止誤觸發方面非常有效。

驅動電路的設計

前一部分已經表明，驅動電路的性能對晶體管抵抗誤觸發的能力有重大影響。

在設計 IGBT 時，晶體管數據手冊中規定的典型門閾值電壓通常在 +3V 和 +6V 之間。隨著結溫的升高，這些電壓可能下降到 1V 到 2V。+15V 的門-發射極電壓通常被認為是確保在常見操作條件下快速開關的最佳導通電壓。如前所述，可以使用負門電壓將 IGBT 關閉。經過實踐證明，-9V 的電壓是安全有效的。目前，通常使用帶有 +15V 和 -9V 非對稱電壓的雙隔離 DC/DC 轉換器作為 IGBT 驅動器。

驅動 SiC FET

在需要高能效、體積小和重量輕的應用中，如高端工業設備、逆變器或電動汽車，碳化硅 (SiC) MOSFET 正變得越來越受歡迎。SiC FET 的理想開關電壓與 IGBT 推薦的電壓不同。

SiC FET 的閾值電壓顯著低于 IGBT。此外，給定 SiC FET 的電壓隨著溫度的升高而降低。從邏輯上講，這意味著施加更大的負偏置電壓到門上以關閉器件并防止誤觸發是必要的。閾值電壓隨其使用壽命而下降。如果電路以 -5V 的門-源電壓運行，這種下降通常在千小時的使用壽命內為 0.2V-0.3V。經過這個時間，閾值電壓保持穩定。

如果門-源電壓為 -10V，變化大約是前者的五倍，且不同晶體管之間的變化也很大。研究發現，這些變化如此之大，以至于某些器件在 0V 時已經“正常導通”。因此，為了確保設備在其使用壽命內的一致性能，設計師在使用 SiC FET 時，不應施加低于 -5V 的門偏置電壓。

另一方面，使用 +15V 的正電壓(如 IGBT 所用)在理論上是可能的。由于閾值電壓顯著低于 IGBT，+15V 應能確保 SiC FET 的可靠開關行為。然而，不同門-源電壓下的輸出特性表明，更高的電壓會顯著降低導通電阻 RDS(ON)。+20V 的門-源電壓能充分發揮 SiC FET 的優勢。因此，運行在 +20V/-5V 的 DC/DC 轉換器是供電驅動器的良好選擇。

此外，所選擇的 DC/DC 轉換器也必須提供高隔離。IGBT 的典型開關頻率在 10kHz-50kHz 范圍內，SiC FET 則超過 50kHz，可能導致陡峭的上升斜率，從而使轉換器的絕緣屏障承受反復的大應力。過于緊密尺寸的絕緣會降低系統的長期可靠性。

專門設計供電功率晶體管門驅動器的轉換器，例如用于 IGBT 應用的 RECOM RKZ1509，或用于 SiC-FET 應用的 RKZ2005 或 RxxP22005，提供非對稱電壓輸出和高隔離，最高可達 4kV 或 5.2kV(如 RxxP22005)。圖2和圖3展示了如何使用這些轉換器來控制 IGBT 或 SiC-FET 門驅動器。

結論

在需要穩健可靠的功率晶體管橋接系統中，晶體管門驅動電路的正確設計與功率晶體管的選擇同樣重要。已知非對稱的開通/關斷電壓，結合負偏置的關斷，能夠有效防止誤觸發，并應與最佳布局實踐結合使用：保持連接短以最小化電感，并在設計 IGBT 橋時理想地通過凱爾文連接將驅動器接地直接連接到晶體管的發射極。

驅動電路必須隔離，以允許驅動器接地直接連接到晶體管。強有力的隔離對于確保驅動器和用于供電的雙非對稱 DC/DC 轉換器的長期可靠性至關重要。

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