Ryan Schnell

如果特定功率器件需要正極和負柵極驅動，電路設計人員無需尋找專門處理雙極性操作的特殊柵極驅動器。使用這個簡單的技巧使單極性柵極驅動器提供雙極性電壓！

當驅動中高功率MOSFET和IGBT時，當功率器件兩端出現高電壓變化率時，存在米勒效應引起的導通風險。電流通過柵極至漏極或柵極至集電極電容注入功率器件的柵極。如果電流注入足夠大，使柵極電壓高于器件閾值電壓，則可以觀察到寄生導通，從而導致效率降低甚至器件故障。

通過使用從功率器件柵極到源極或漏極的極低阻抗路徑，或者通過將柵極驅動至相對于源極或漏極的負電壓，可以減輕米勒效應。米勒效應導通緩解技術的目標是在發生通過米勒電容的電流尖峰時，將柵極電壓保持在所需閾值以下。

某些功率器件類型甚至需要負電壓才能完全關斷，因此需要來自柵極驅動器的某種負電壓驅動。推薦使用負柵極驅動電壓的設備制造商包括標準硅 MOSFET、IGBT、SiC 和 GaN 器件。

在次級側（驅動功率器件的一側）采用單極性電源供電的隔離式柵極驅動器種類繁多，但允許顯式雙極性電壓驅動的柵極驅動器器件要少得多。克服負柵極驅動器件不足的一種方法是將柵極驅動器與功率器件偏移，從而產生相對于功率器件源極或漏極的負柵極驅動，而柵極驅動器IC仍然只看到單極性電源。單極性和雙極性柵極驅動波形示例如圖1所示。

圖1.（a） 單極性和（b） 雙極性柵極驅動波形。

圖2顯示了理想電壓源的原理圖。在本例中，驅動器IC由等于V之和的電壓供電1和 V2，而MOSFET的柵極被驅動至+V1處于 ON 狀態和 –V2處于關斷狀態，相對于 MOSFET 源極節點。請注意，在本例中，兩個電壓源都與單獨的電容器去耦。柵極驅動器IC看到的有效去耦是電容器的串聯組合，它小于每個電容器的值。可以在 V 之間添加額外的去耦DD如果需要，可以使用 GND，但保留 C 很重要1和 C2因為電容器分別在導通和關斷期間為柵極電流提供低阻抗路徑。

圖2.雙極性電源設置示例。

隔離式柵極驅動器IC通常帶有欠壓鎖定（UVLO），以防止在柵極驅動器以過低的柵極電壓驅動時弱驅動功率器件。如圖2所示驅動單極性柵極驅動器時，必須注意UVLO的預期工作，因為UVLO通常以柵極驅動器的地為基準。考慮一個案例，其中 V1= 15 V， V2= 9 V，柵極驅動器UVLO約為11 V，這在IGBT操作中很常見。如果 V1如果降壓超過4 V，UVLO不會觸發，但IGBT將在導通時間內驅動到11 V以下，從而欠驅動IGBT。

為此，可以使用兩個隔離電源創建兩個獨立的電壓源，但這種方法通常考慮成本。如果使用反激式拓撲，則可以使用多個繞組抽頭相對容易地獲得多個電壓。

有可以提供隔離電源的隔離電壓源模塊，一些制造商正在選擇有利于功率器件電壓的電壓。RECOM就是一個例子，IGBT等器件的目標產品線可產生隔離的+15 V和–9 V電源軌。

對于如此大的電壓擺幅，柵極驅動器必須能夠承受比舊器件目標范圍更大的范圍。兩款適用于這些電壓的柵極驅動器是ADI公司的ADuM4135和采用i耦合器技術的ADuM4136 IGBT柵極驅動器，其推薦電壓范圍允許高達30 V。兩者都在輸出側提供一個專用的接地引腳，允許驅動器UVLO以正電源軌為基準。ADuM4135還集成了一個米勒箝位，可進一步幫助抑制米勒引起的導通柵極電壓凸起。?

從單個電壓源創建雙極性電源的一種簡單方法是使用偏置齊納二極管創建第二個電壓源。雖然柵極驅動器在功率器件的導通和關斷期間提供高電流，但電源實際需要的平均電流相對較低，對于大多數應用，通常在數十 mA范圍內。

齊納二極管可以用于調節正電壓或負電壓，并可根據需要更高精度的電源軌進行選擇。圖3所示的示例設置為調節正電壓多于負電壓。調節正電壓的一個原因可能是被驅動的柵極對柵極電壓要求有嚴格的容差，例如某些GaN器件。調節正電源還有一個額外的好處，即允許柵極驅動器的UVLO按預期工作，因為V的任何波動3將被齊納二極管衰減，直到V3太低，無法支持齊納電壓。

使用齊納二極管方法在單電源中產生兩個電源還具有節省布局的好處。齊納二極管和電阻不僅可以有效地取代整個隔離電壓源，而且通過使用單極性隔離柵極驅動器，可以使用六引腳器件，例如采用i耦合器技術的ADI公司的ADuM4120，從而在隔離爬電區域節省更多柵極驅動器IC周圍的空間。

圖3.齊納二極管示例。

齊納二極管雙極性設置的參考示例是使用ADI公司的ADuM4121和GaN Systems的GS66508T創建的，以創建半橋。該示例設計為+5 V和–4 V驅動以器件源為基準。通過使用不同的齊納二極管和相同的6 V隔離電源，該示例可以很容易地適應+3 V和–9 V驅動。較大的死區時間用于在視覺上將米勒凸塊與其他關斷瞬變區分開來，但實際上ADuM4121允許在數十ns范圍內實現更短的死區時間，這是高效GaN設計的重要指標。

圖4.ADuM4121和GS66508T實驗結果。

創建可以減輕米勒效應寄生導通的負柵極電壓驅動不一定很復雜。許多現有的單極性工作柵極驅動器都可以工作，以最少的外部電路輕松驅動柵極負極。有一些影響需要考慮，例如有效的UVLO電壓，但這種操作的好處是很大的。

審核編輯：郭婷