【E問E答】如何減輕米勒電容所引起的寄生導(dǎo)通效應(yīng)

　　當(dāng)IGBT在開關(guān)時普遍會遇到的一個問題即寄生米勒電容開通期間的米勒平臺。米勒效應(yīng)在單電源門極驅(qū)動的應(yīng)用中影響是很明顯的。基于門極G與集電極C之間的耦合，在IGBT關(guān)斷期間會產(chǎn)生一個很高的瞬態(tài)dv/dt，這樣會引發(fā)門極VGE間電壓升高而導(dǎo)通，這是一個潛在的風(fēng)險(如圖1)。

　　圖1：下管IGBT因為寄生米勒電容而引起導(dǎo)通

　　寄生米勒電容引起的導(dǎo)通

　　在半橋拓撲中，當(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 、門極驅(qū)動電阻RG 、內(nèi)部集成門極驅(qū)動電阻RDRIVER ，如圖1所示。電流大小大致可以如下公式進行估算：

　　這個電流產(chǎn)生使門極電阻兩端產(chǎn)生電壓差，這個電壓如果超過IGBT的門極驅(qū)動門限閾值，將導(dǎo)致寄生導(dǎo)通。設(shè)計工程師應(yīng)該意識到IGBT節(jié)溫上升會導(dǎo)致IGBT門極驅(qū)動閾值會有所下降，通常就是mv/℃級的。

　　當(dāng)下管IGBT(S2)導(dǎo)通時，寄生米勒電容引起的導(dǎo)通同樣會發(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)的方法來解決以上問題：第一種方法是改變門極電阻(如圖2);第二種方法是在在門極G和射極E之間增加電容(如圖3);第三種方法是采用負壓驅(qū)動(如圖4)。除此之外，還有一種簡單而有效的解決方案即有源鉗位技術(shù)(如圖5)。

　　獨立的門極開通和關(guān)斷電阻

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

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

　　圖2：獨立的門極開通和關(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開關(guān)的特性。CG分擔(dān)了米勒電容產(chǎn)生的門極充電電流，鑒于這種情況，IGBT的總的輸入電容為CG||CG’。門極充電要達到門極驅(qū)動的閾值電壓需要更多的電荷(如圖3)。

　　圖3：G-E間增加電容

　　因為G-E間增加電容，驅(qū)動電源功耗會增加，相同的門極驅(qū)動電阻情況下IGBT的開關(guān)損耗也會增加。

　　采用負電源以提高門限電壓

　　采用門極負電壓來安全關(guān)斷，特別是IGBT模塊在100A以上的應(yīng)用中，是很典型的運用。在IGBT模塊100A以下的應(yīng)用中，處于成本原因考慮，負門極電壓驅(qū)動很少被采用。典型的負電源電壓電路如圖4。

　　圖4：負電源電壓

　　增加負電源供電增加設(shè)計復(fù)雜度，同時也增大設(shè)計尺寸。

　　有源米勒鉗位解決方案

　　為了避免RG優(yōu)化問題、CG的損耗和效率、負電源供電增加成本等問題，另一種通過門極G與射極E短路的方法被采用來抑制因為寄生米勒電容導(dǎo)致的意想不到的開通。這種方法可以在門極G與射極E之間增加三級管來實現(xiàn)，在VGE電壓達到某個值時，門極G與射極E的短路開關(guān)(三級管)將觸發(fā)工作。這樣流經(jīng)米勒電容的電流將通過三極管旁路而不至于流向驅(qū)動器引腳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

　　增加三級管將增加驅(qū)動電路的復(fù)雜度。

　　結(jié)論

　　以上闡述的四種技術(shù)的對比如下表

　　在最近幾年時間里，高度集成的門極驅(qū)動器已經(jīng)包含有源米勒鉗位解決方案并帶有飽和壓降保護、欠電壓保護，有如AVAGO技術(shù)的ACPL-331J和ACPL-332J，對產(chǎn)品設(shè)計者和工業(yè)/消費生產(chǎn)商來說，這將降低設(shè)計的復(fù)雜度和產(chǎn)品尺寸。