驱动电路设计（九）——栅极钳位

驱动电路设计是功率半导体应用的难点，涉及到功率半导体的动态过程控制及器件的保护，实践性很强。为了方便实现可靠的驱动设计，英飞凌的驱动集成电路自带了一些重要的功能，本系列文章将以杂谈的形式讲述技术背景，然后详细讲解如何正确理解和应用驱动器的相关功能。

现在市场上功率半导体器件IGBT，MOSFET，SiC MOSFET和GaN，大都是电压栅控器件，驱动起来比电流型双极性晶体管BJT容易得多，只需要有限的电荷给栅极电容充电，但问题是很容易受干扰，除了米勒电流造成的误导通以外，由于其它种种原因，栅极电压被抬高后，也会带来短路风险导致损耗增加，甚至影响器件寿命，损坏栅极。

栅极钳位

前文《驱动电路设计（八）---米勒钳位杂谈》已经提过，在功率器件开关过程中，由于C-E（D-S）间的dv/dt快速变化，会通过米勒电容产生位移电流，给栅极电容充电。这样可能会抬高功率器件的栅极电压，特别是当关断过电流和短路电流时。

IGBT短路时，其短路电流ISC短路电流是由栅极电压决定的：

因此，将栅极电压限制在某一合理的最大值很重要，这样可以使得短路电流的值不至于过大，不会超出最大的短路能量。图1给出了某种1200V IGBT栅极电压、短路电流和最大短路时间的关系。如果栅极钳位能很好限制短路时最大的栅极电压，那么也就限制了最大的短路电流。

图1. 栅极电压、短路电流和最大短路时间之间的关系

图2a和2b给出两种不同的栅极钳位方法。首先，可以利用一个单向或双向的TVS二极管接在IGBT VT1的栅极和发射极之间。当栅极电压超过TVS二极管的击穿电压后为低阻抗的通路，实现迅速泄放的目的。考虑误差和温度的影响，即：

另外一种栅极钳位的方法是通过二极管VD2直接将栅极和驱动电源电压连接，因此栅极电压被限制在电源电压加上二极管正向压降之内。当驱动输出级是轨对轨输出时，钳位到电源是个好办法。当电源电压为+15V时，如果出现短路，栅极电压可以有效地被限制在+16V以内。

(a) BJT升压电路

(b) MOSFET升压电路

图2. 栅极钳位

在选择TVS管时，要注意击穿电压的最大值和最小值之间通常都会有一个较宽范围，如图3所截取的数据手册所示。除了考虑最大值，还需要考虑温度的影响，一般击穿电压会随温度升高而增大，另外温度升高后会使二极管的额定耗散功率降低，如图4所示。

图3. 飞兆半导体的SMBJ5V0(C)A—SMBJ170(C)A系列TVS二极管数据手册

图4. 脉冲功率降额曲线

在选择电源钳位二极管时，必须保证在高温下，二极管的漏电流或反向电流IR较低。如果反向电流太高，就成为驱动器电源不必要的负载，反向电流也会造成关断状态的功率器件栅极电压的被抬高。这时，如果没有RGE，驱动级对地具有高阻抗，甚至接近或超过功率器件的开通阀值电压，在一些不利条件下，功率半导体会由于这样的原因出现寄生开通。

与PN结二极管相比，肖特基二极管的正向电压很低，因此非常适合用于电源钳位。而选用PN结二极管后钳位电压至少为17V，特别是在BJT输出的栅极驱动中，图2a。当肖特基二极管用于MOSFET推挽输出级时，有可能把栅极电压UGE钳在+15V，图2b。

相比于PN结二极管，肖特基二极管的缺点在于它们在高温时反向漏电流更高。因此必须根据其反向电流的特征选择合适的肖特基二极管。图5a是快恢复PN二极管，图5b为肖基特二极管的漏电流特性。注意肖基特二极管的漏电流比硅快恢复二极管大很多。

图5. 肖特基二极管和快恢复PN二极管的IR=f(UR,Tj)特性

设计中还有一个问题也很重要，为了不对栅极钳位产生影响，栅极电压和电源之间的寄生电感应该尽可能的小，这也是功率器件应用的一般原则。

栅极钳位也不适合用于每个周期的正常开关过程。钳位时，驱动级电流会有一部分注入钳位二极管，这会造成驱动负载不必要的增加。所以在选择器件时，应保证其VRWM（最大反向工作电压）不低于且尽可能接近于被保护线路的正常最大工作电压，比如说15V。

主动关断电路

EiceDRIVER Compact 1ED314x对付米勒电流采用另外一种思路---主动关断功能。是驱动器的一项保护功能，其设计目的是防止功率开关栅极悬浮时的误导通。

如果驱动器失去电源，即VCC2掉电，驱动器的主动关断电路就动作，供电是驱动器所连接栅极的浮动电压。

如果开关上出现高速的dUCE/dt，就会产生米勒电流，主动关断电路一样可以提供米勒钳位，即使栅极驱动器没有接通电源，主动关断电路也会利用该电压为自己供电，并主动将栅极拉低。

图6. EiceDRIVER Compact 1ED314xMU12的主动关断

栅极钳位设计原则

栅极电压钳位是功率半导体可靠工作的必要条件，实现的方法是多种多样，设计中要抓住要点：

1

钳位电压以精确为好

2

钳位电路不要成为驱动的负载

3

钳位电路不能在正常工况时被触发