如何设计 IGBT 和 SiC FET 驱动电路以防止误触发？

在设计 IGBT 或 SiC FET 桥接电路时，门驱动电路的正确设计与选择晶体管同样重要，以确保高可靠性。对环境的关注是可再生能源、智能工业和电动出行等趋势背后的主要推动力。这些趋势又进一步推动了对高效电力转换器和电机驱动器的需求。这些系统必须非常可靠，通常要求其工作寿命达到 10 年或更长时间。

 

为了确保高可靠性，设计师在选择电路中如逆变器或电机驱动的 H 桥功率晶体管时，会非常谨慎。然而，为了获得最佳效果，他们应同样重视设计和布局晶体管门驱动电路，以防止晶体管的误触发，因为误触发可能导致穿通电流。这些短路电流可能缩短晶体管的使用寿命，甚至在最坏的情况下导致立即损坏。其他不良后果包括电磁干扰，可能导致设备无法满足 EMC 法规。

 

误触发可能源于对晶体管寄生电容和电感中流动电流的管理不善，如图 1 所示。

图1

 

寄生电容与误触发

 

考虑 Creverse 和 Cinput 之间的充电电流流动。如果在晶体管关闭时集电极-发射极电压上升，电流会根据以下公式流入 Creverse：

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

 

根据图 1：

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

 

因此，充电电流流入 Cinput，可能会将寄生电容充至超出门-发射极阈值电压的电压，导致晶体管导通。Idriver 依赖于门电阻以及在动态操作中电感 Lgate，后者取决于电路布局和所用封装。

 

设计师可以调整各种参数，以尽量减少由米勒电容流动的充电电流引起的误触发的可能性。一种解决方案可能是限制 dVCE/dt，以平坦开关斜率和 ICreverse 曲线。这种方法的一个缺点是会增加开关损耗作为副作用。或者，通过优化电路以降低寄生电感 Lgate，可以有效减少门电压的上升。然而，更可预测的解决方案是施加负的门-发射极电压，以扩大阈值电压的安全裕度。

 

寄生电感的影响

 

误触发还可能源于寄生电感(如 Lgate 和 Lemitter)的影响。当晶体管打开时，负载电流通过晶体管流动，因此也流过 Lemitter。如果负载电流突然关闭，Lemitter 会根据以下公式产生负电压：

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

这会使发射极电压降低到 GND 以下。当驱动器将门电压拉至 GND 时，门-发射极电压变为正，可能导致晶体管导通。

 

在桥接电路中，所有低侧晶体管的发射极都连接到电源接地，因此每个晶体管的有效 Lemitter 会受到其他晶体管及其接地连接的电感的影响。完美的对称性难以实现。因此，某些晶体管可能更容易受到误触发的影响，且在所有工作条件下无法保证可预测的性能。

 

电路电感应始终通过尽可能缩短导体和走线长度来最小化。然而，通过为每个晶体管使用隔离式门驱动器，驱动器接地可以直接连接到晶体管的发射极，从而消除布局电感的影响。通过使用提供凯尔文连接的晶体管，可以进一步改善这种情况。将驱动器接地连接到该凯尔文连接有效地防止了 Lemitter 影响导通行为。

 

此外，使用能够施加负门-发射极电压的门驱动器，即不仅仅是将门保持在地电位，以保持晶体管关闭，可以增加门-发射极电压与晶体管阈值电压之间的安全裕度。这在防止误触发方面非常有效。

 

驱动电路的设计

 

前一部分已经表明，驱动电路的性能对晶体管抵抗误触发的能力有重大影响。

 

在设计 IGBT 时，晶体管数据手册中规定的典型门阈值电压通常在 +3V 和 +6V 之间。随着结温的升高，这些电压可能下降到 1V 到 2V。+15V 的门-发射极电压通常被认为是确保在常见操作条件下快速开关的最佳导通电压。如前所述，可以使用负门电压将 IGBT 关闭。经过实践证明，-9V 的电压是安全有效的。目前，通常使用带有 +15V 和 -9V 非对称电压的双隔离 DC/DC 转换器作为 IGBT 驱动器。

 

驱动 SiC FET

 

在需要高能效、体积小和重量轻的应用中，如高端工业设备、逆变器或电动汽车，碳化硅 (SiC) MOSFET 正变得越来越受欢迎。SiC FET 的理想开关电压与 IGBT 推荐的电压不同。

 

SiC FET 的阈值电压显著低于 IGBT。此外，给定 SiC FET 的电压随着温度的升高而降低。从逻辑上讲，这意味着施加更大的负偏置电压到门上以关闭器件并防止误触发是必要的。阈值电压随其使用寿命而下降。如果电路以 -5V 的门-源电压运行，这种下降通常在千小时的使用寿命内为 0.2V-0.3V。经过这个时间，阈值电压保持稳定。

 

如果门-源电压为 -10V，变化大约是前者的五倍，且不同晶体管之间的变化也很大。研究发现，这些变化如此之大，以至于某些器件在 0V 时已经“正常导通”。因此，为了确保设备在其使用寿命内的一致性能，设计师在使用 SiC FET 时，不应施加低于 -5V 的门偏置电压。

图2

 

另一方面，使用 +15V 的正电压(如 IGBT 所用)在理论上是可能的。由于阈值电压显著低于 IGBT，+15V 应能确保 SiC FET 的可靠开关行为。然而，不同门-源电压下的输出特性表明，更高的电压会显著降低导通电阻 RDS(ON)。+20V 的门-源电压能充分发挥 SiC FET 的优势。因此，运行在 +20V/-5V 的 DC/DC 转换器是供电驱动器的良好选择。

 

此外，所选择的 DC/DC 转换器也必须提供高隔离。IGBT 的典型开关频率在 10kHz-50kHz 范围内，SiC FET 则超过 50kHz，可能导致陡峭的上升斜率，从而使转换器的绝缘屏障承受反复的大应力。过于紧密尺寸的绝缘会降低系统的长期可靠性。

图3

 

专门设计供电功率晶体管门驱动器的转换器，例如用于 IGBT 应用的 RECOM RKZ1509，或用于 SiC-FET 应用的 RKZ2005 或 RxxP22005，提供非对称电压输出和高隔离，最高可达 4kV 或 5.2kV(如 RxxP22005)。图2和图3展示了如何使用这些转换器来控制 IGBT 或 SiC-FET 门驱动器。

 

结论

 

在需要稳健可靠的功率晶体管桥接系统中，晶体管门驱动电路的正确设计与功率晶体管的选择同样重要。已知非对称的开通/关断电压，结合负偏置的关断，能够有效防止误触发，并应与最佳布局实践结合使用：保持连接短以最小化电感，并在设计 IGBT 桥时理想地通过凯尔文连接将驱动器接地直接连接到晶体管的发射极。

 

驱动电路必须隔离，以允许驱动器接地直接连接到晶体管。强有力的隔离对于确保驱动器和用于供电的双非对称 DC/DC 转换器的长期可靠性至关重要。

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