以双极性方式驱动单极栅极驱动器

Ryan Schnell

如果特定功率器件需要正极和负栅极驱动，电路设计人员无需寻找专门处理双极性操作的特殊栅极驱动器。使用这个简单的技巧使单极性栅极驱动器提供双极性电压！

当驱动中高功率MOSFET和IGBT时，当功率器件两端出现高电压变化率时，存在米勒效应引起的导通风险。电流通过栅极至漏极或栅极至集电极电容注入功率器件的栅极。如果电流注入足够大，使栅极电压高于器件阈值电压，则可以观察到寄生导通，从而导致效率降低甚至器件故障。

通过使用从功率器件栅极到源极或漏极的极低阻抗路径，或者通过将栅极驱动至相对于源极或漏极的负电压，可以减轻米勒效应。米勒效应导通缓解技术的目标是在发生通过米勒电容的电流尖峰时，将栅极电压保持在所需阈值以下。

某些功率器件类型甚至需要负电压才能完全关断，因此需要来自栅极驱动器的某种负电压驱动。推荐使用负栅极驱动电压的设备制造商包括标准硅 MOSFET、IGBT、SiC 和 GaN 器件。

在次级侧（驱动功率器件的一侧）采用单极性电源供电的隔离式栅极驱动器种类繁多，但允许显式双极性电压驱动的栅极驱动器器件要少得多。克服负栅极驱动器件不足的一种方法是将栅极驱动器与功率器件偏移，从而产生相对于功率器件源极或漏极的负栅极驱动，而栅极驱动器IC仍然只看到单极性电源。单极性和双极性栅极驱动波形示例如图1所示。

图1.（a） 单极性和（b） 双极性栅极驱动波形。

图2显示了理想电压源的原理图。在本例中，驱动器IC由等于V之和的电压供电1和 V2，而MOSFET的栅极被驱动至+V1处于 ON 状态和 –V2处于关断状态，相对于 MOSFET 源极节点。请注意，在本例中，两个电压源都与单独的电容器去耦。栅极驱动器IC看到的有效去耦是电容器的串联组合，它小于每个电容器的值。可以在 V 之间添加额外的去耦DD如果需要，可以使用 GND，但保留 C 很重要1和 C2因为电容器分别在导通和关断期间为栅极电流提供低阻抗路径。

图2.双极性电源设置示例。

隔离式栅极驱动器IC通常带有欠压锁定（UVLO），以防止在栅极驱动器以过低的栅极电压驱动时弱驱动功率器件。如图2所示驱动单极性栅极驱动器时，必须注意UVLO的预期工作，因为UVLO通常以栅极驱动器的地为基准。考虑一个案例，其中 V1= 15 V， V2= 9 V，栅极驱动器UVLO约为11 V，这在IGBT操作中很常见。如果 V1如果降压超过4 V，UVLO不会触发，但IGBT将在导通时间内驱动到11 V以下，从而欠驱动IGBT。

为此，可以使用两个隔离电源创建两个独立的电压源，但这种方法通常考虑成本。如果使用反激式拓扑，则可以使用多个绕组抽头相对容易地获得多个电压。

有可以提供隔离电源的隔离电压源模块，一些制造商正在选择有利于功率器件电压的电压。RECOM就是一个例子，IGBT等器件的目标产品线可产生隔离的+15 V和–9 V电源轨。

对于如此大的电压摆幅，栅极驱动器必须能够承受比旧器件目标范围更大的范围。两款适用于这些电压的栅极驱动器是ADI公司的ADuM4135和采用i耦合器技术的ADuM4136 IGBT栅极驱动器，其推荐电压范围允许高达30 V。两者都在输出侧提供一个专用的接地引脚，允许驱动器UVLO以正电源轨为基准。ADuM4135还集成了一个米勒箝位，可进一步帮助抑制米勒引起的导通栅极电压凸起。®

从单个电压源创建双极性电源的一种简单方法是使用偏置齐纳二极管创建第二个电压源。虽然栅极驱动器在功率器件的导通和关断期间提供高电流，但电源实际需要的平均电流相对较低，对于大多数应用，通常在数十 mA范围内。

齐纳二极管可以用于调节正电压或负电压，并可根据需要更高精度的电源轨进行选择。图3所示的示例设置为调节正电压多于负电压。调节正电压的一个原因可能是被驱动的栅极对栅极电压要求有严格的容差，例如某些GaN器件。调节正电源还有一个额外的好处，即允许栅极驱动器的UVLO按预期工作，因为V的任何波动3将被齐纳二极管衰减，直到V3太低，无法支持齐纳电压。

使用齐纳二极管方法在单电源中产生两个电源还具有节省布局的好处。齐纳二极管和电阻不仅可以有效地取代整个隔离电压源，而且通过使用单极性隔离栅极驱动器，可以使用六引脚器件，例如采用i耦合器技术的ADI公司的ADuM4120，从而在隔离爬电区域节省更多栅极驱动器IC周围的空间。

图3.齐纳二极管示例。

齐纳二极管双极性设置的参考示例是使用ADI公司的ADuM4121和GaN Systems的GS66508T创建的，以创建半桥。该示例设计为+5 V和–4 V驱动以器件源为基准。通过使用不同的齐纳二极管和相同的6 V隔离电源，该示例可以很容易地适应+3 V和–9 V驱动。较大的死区时间用于在视觉上将米勒凸块与其他关断瞬变区分开来，但实际上ADuM4121允许在数十ns范围内实现更短的死区时间，这是高效GaN设计的重要指标。

图4.ADuM4121和GS66508T实验结果。

创建可以减轻米勒效应寄生导通的负栅极电压驱动不一定很复杂。许多现有的单极性工作栅极驱动器都可以工作，以最少的外部电路轻松驱动栅极负极。有一些影响需要考虑，例如有效的UVLO电压，但这种操作的好处是很大的。

审核编辑：郭婷