驅動電路設計是功率半導體應用的困難點,涉及功率半導體的動態過程控制及裝置的保護,實踐性很強。為了方便實現可靠的驅動設計,英飛凌的驅動集成電路附帶了一些重要的功能,本系列文章將以雜談的形式講述技術背景,然後詳細講解如何正確理解和應用驅動器的相關功能。
Mar . 2025
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圖1. IGBT半橋電路
什麼是誤導通
圖1是最基本的半橋電路,上管開通的波形如圖2所示,這時下管VT2驅動電壓為零,已經關斷了。

圖2. 半橋電路上管VT1開通時的波形
由圖2可以看出IGBT VT1有兩個明顯的集極峰值電流。第一個電流尖峰工程師都很熟悉,是來自下橋臂IGBT的續流二極體VD2的反向恢復電流。注意到沒有,UCE還沒有達到飽和電壓時又出現了第二個電流尖峰,持續時間不長,大約為50ns,分析可以確認這是由於IGBT VT2的瞬時開通導致的。
正常情況下,幾十奈秒的脈衝電流還不至於會直接損壞功率半導體裝置,然而,額外的損耗是逃不了的,會導致嚴重的結溫升高,降低元件的壽命。另外產生的振盪會幹擾驅動電路和控制電路,造成工作異常。
為什麼會誤導通?

圖3. 密勒電容引起寄生開通
當開通半橋電路下橋臂IGBT VT2時,上橋臂IGBT VT1就會產生電壓快速上升dUCE/dt,其在密勒電容CGC產生電流iGC,即:

此電流iGC將通過IGBT內部閘極電阻RGint、外部閘極電阻RGext,和驅動內部電阻RDr,最後到電源地(這裡,電源接地和IGBT VT1射極同電位),並產生閘極電壓,振幅為:

圖4. IGBT的寄生電容
一旦這時閘極電壓UGE高於IGBT的閾值電壓UGE(TO),就會產生寄生開通。如果IGBT VT2已經導通,這將導致短路。還好這類短路持續的時間很短,通常大約是10~100ns,一般IGBT都能承受。
在功率半導體的寄生參數中,除了寄生電容CGC,還有另一個寄生電容CGE。部分iGC電流將會透過此電容直接到電源接地。

英飛凌IGBT7採用微溝槽技術,溝槽密度高,所以可以多做一些溝槽,其中一部分做成偽溝槽,這樣可以優化CGC和CGE比值,減小誤導通風險,使得IGBT更好用。
SiC MOSFET的dUCE/dt較高,好在SiC的密勒電容只有IGBT的十分之一左右。
工程師可能也會想到在閘極和射極之間外接個電容CGE也可以降低密勒效應,但要注意的是額外電容CGE將影響IGBT的開通特性(參考資料2中的第6章6.6.2節)。通常,為了抑製或衰減不需要的振盪,可以用一個小電阻和電容串聯。
米勒鉗位電路

圖5. EiceDRIVER™ F3 1ED332xMC12N的米勒箝位
外接個電容CGE分流是一種古老的思路,積體電路時代一定會考慮用主動元件來實現同樣或更好的功能,這就是米勒鉗位功能。
以EiceDRIVER™ F3為例,該閘極驅動器增加了一個CLAMP管腳,跳過外接的閘極電阻RG直接連接到功率管的閘極,並確保盡可能低的寄生電感。 CLAMP功能腳在鉗位非激活狀態下監控閘極電壓,一旦閘極電壓相對於VEE2低於2V,便開通CLAMP與VEE2之間MOSFET,提供米勒電流低阻抗通路,防止寄生導通。鉗位電路在閘極驅動器再次開通前保持啟動狀態。
米勒鉗位pre-drive

圖6. 附米勒預驅的晶片產品
當米勒鉗位訊號走線電感比較大或高功率元件米勒電流比較大的情況下,驅動晶片自帶的米勒鉗位表現並不理想。一般晶片的米勒鉗位能力只有2A左右,這會降低高功率IGBT的鉗位能力。這時可以選擇具有外部MOSFET的預驅動器輸出的驅動晶片產品,比如圖6的英飛凌1ED3491。
外部的小訊號N通道MOSFET電晶體與驅動器CLAMPDRV腳相連,可實現大電流的鉗位。如圖6將MOSFET連接到CLAMPDRV輸出、VEE2接腳和IGBT閘極之間。由於採用了米勒預驅動配置,鉗位電流僅受外部鉗位MOSFET電晶體的限制。根據外部MOSFET的不同,米勒電流鉗位可達20A。鉗位 MOSFET必須靠近IGBT閘極,以盡量減少米勒電流洩放路徑的電阻和電感。
英飛凌帶米勒鉗位的工業應用驅動器產品:
- EiceDRIVER™ Compact隔離閘極驅動器IC
■ X3 Compact:1ED3122MC12H、1ED3127MU12F、1ED3125MU12F
■ 2L-SRC Compact:1ED3251MC12H、1ED2512L-SRC Compact:1ED3251MC12H、1ED21
- 在EiceDRIVER™ Enhanced系列隔離閘極驅動器IC
■ F3系列1ED332x
■ X3 Analog系列1ED34x1
■ X3 Digital系列1ED38x0
X3 Analog模擬系列的閘極驅動器1ED3491和X3 Digital數位系列的閘極驅動器1ED3890提供米勒鉗位預驅動器,可驅動外部MOSFET,該MOSFET可放置在非常靠近SiC MOSFET的地方,以減小寄生電感,獲得最佳的鉗位效果。
電平位移驅動器:
2ED1323S12P電平位移閘極驅動器同時提供了主動米勒鉗位功能和過電流(ITRIP)保護。
米勒鉗位不是萬能的
IGBT模組由晶片並聯實現大電流的,為了均流,晶片上自帶閘極電阻,數據手冊上能找到具體數值。這一閘極電阻會影響密勒鉗位的效果。儘管採用了密勒鉗位,根據IGBT和系統設計的不同,閘極電壓仍可能造成IGBT寄生開通。在這種情況下,建議最好避免採用單電源,正負電源可以更有效解決米勒導通問題。
系列文章
驅動電路設計(一)-驅動器的功能綜述
驅動電路設計(二)-驅動器的輸入側探究
驅動電路設計(三)---驅動器的隔離電源雜談
驅動電路設計(四)---驅動器的自舉電源綜述
驅動電路設計(五)-驅動器的自舉電源穩態設計
驅動電路設計(六)-動力驅動器的自舉電源供應器自舉電源
參考資料
2. IGBT模組:技術、驅動與應用 機械工業出版社
3. Datasheet EiceDRIVER™ 1ED332xMC12N Enhanced (1ED-F3)
4. AN 2022-03 EiceDRIVER™ F3-具有短路保護功能的單聲道增強型隔離閘極驅動器系列
5. AN-2021-03 Technical description 1ED324xMC12H_1ED325xMC12H Application Notes