驅動電路設計（十）——閘極電荷與應用

驅動電路設計是功率半導體應用中的難點，涉及到功率半導體的動態過程控制及元件的保護，實踐性非常強。為了方便實現可靠的驅動設計，英飛凌的驅動集成電路內建了一些重要功能。本系列文章將以雜談的形式介紹技術背景，然後詳細講解如何正確理解和應用驅動器的相關功能。
 

MOSFET功率半導體是電壓型驅動，其驅動的本質是對閘極端口的電容進行充電。驅動峰值電流受到功率元件的驅動電阻和驅動器內阻的影響，而驅動功率則由閘極電荷、驅動電壓和開關頻率決定。由於閘極電荷也決定了功率元件的開關行為，因此理解閘極電荷對於驅動設計非常重要。

 柵極電荷 

IGBT的閘極對外顯示出類似電容的特性，也就是說，閘極電荷由驅動提供，並由閘極電壓和器件的閘極電容決定，即：

如果電容的數值是恆定不變的，電壓與電荷就呈簡單的線性關係。但是IGBT的閘極等效電容則不一樣，是非線性的。圖1給出了閘極電荷。問G標幺值和柵極電壓U通用電氣的關係是分段線性的，轉折點發生在器件狀態發生變化時，最終驅動電壓達到15V設計值，充電電荷到達E點。

圖1. 柵極電荷QG標幺值與柵極電壓UGE的關係

圖中可以看到閘極電荷充電過程可以分為四個區域。

1. 在時間A處，閘極電荷處於累積模式。在時間段AB之間對電容進行分析。C通用電氣充電U通用電氣根據式(10.2)上升。在實際的應用之中，時間tA-B由柵極電阻（包括元件內部和外部電阻）和等效柵極電容決定，所以，C通用電氣不是線性上升，而是按照指數規律上升。

在絕大多數應用中，驅動電源是一個電壓源，因此在開通過程中，由於驅動電壓下降，柵極電流IG的增大依賴於時間。使用電流源取代電壓源來驅動IGBT，可以實現UGE的線性增大，因此Q/U的梯度始終是線性的。
 

2. 在時間B處，U通用電氣到達了平帶電壓U臉書，受電壓影響的MOS電容（屬於C通用電氣的一部分）不再影響充電過程。此時相比於時間段AB，C通用電氣的值降低。相應地，柵極充電斜率上升。在時間段BC之間，柵極電壓UGE，B-C超過閘極閾值電壓U通用電氣（GE），所以IGBT開始工作。
 

平帶電壓U臉書描述了在某一時間，閘極表面和下層半導體金屬氧化層（兩者之間有閘極氧化層隔離）之間的電位相同。此時，由於閘極電荷和半導體電荷互相抵消，半導體金屬氧化層的能帶是平坦的。
 

在A到C階段，驅動器在給C通用電氣充電，電荷為Q通用電氣。

3. 在時間段CD，閘極的充電過程是由回授電容完成的。CGC（也叫作密勒電容）決定的。這時，集-射極電壓UCE不斷降低，電流我GC透過CGC給閘極放電，這部分電流需要驅動電流IDriver來補償。此時閘極會出現一個恆定的電壓，這種現象稱為米勒電壓或米勒平台。我們可以說驅動器正在給...CGC充電，電荷為問GC。

由於集電極-發射極之間的電壓變化率為負，所以CGC上的電流也是負值，比如，集電極-發射極電壓由近似直流母線電壓U直流電降為飽和電壓UCEsat。

4. IGBT一旦進入飽和，此時的電壓為飽和電壓UCEsat，dUCE/dt會下降到零，也沒有任何回饋。在到達時間點E之前，驅動電流會對閘極一直充電，其效果和在AB段相似。
 

不同廠商的資料手冊和應用文件都提供了類似於圖1的閘極電荷充電曲線，也提供了在時間點E時的電荷。問G句子: =f（UGE）。

如果提供了IGBT閘極-射極之間的建議電容C通用電氣，就可以根據該電容得出閘極充電曲線或者充電電荷QG因為閘極電荷幾乎不受溫度影響，所以閘極電荷的測量通常是在環境溫度為25℃時進行的。然而，閘極電荷與IGBT的技術以及額定電流有關。

由於柵極幾何結構上的不同，溝槽柵IGBT比平面IGBT具有更高的柵極電荷，微溝槽技術的元件柵極電荷會相對更大一些，因為在IGBT設計中可以提高柵極密度，製作一些偽溝槽來平衡元件的電容，提升元件的抗干擾能力。因此，對於微溝槽柵IGBT，柵極電容...C通用電氣和充電電荷問G其值相對較大一些，因此，微溝槽柵IGBT需要提供更大的驅動功率。
 

 利用 QGC 確定開通電阻 

選擇柵極電阻是設計柵極驅動電路的重要步驟。在開通過程中，功率開關管（如IGBT）的柵極會透過柵極電阻充電至接近V。VCC2在關斷過程中，利用閘極驅動器IC內部的源極和漏極晶體管向VVEE2放電。

基於MOSFET輸出的閘極驅動器輸出可以簡化為動態電阻（R資料來源，來源，RDS，水槽），在開關過程中會出現壓降（VDS，來源,VDS，水槽）。

開通電阻的選擇要考慮兩個過程：
 

1. 在初始狀態，也就是時間tA當時，柵極電位與VEE2引腳相同。在此階段，電源電壓VCC2-VEE2在內部柵極電阻R資料來源，來源外部開通柵極電阻RG，開啟以及功率半導體開關內部閘極電阻RG，整數之間分配。這是閘極驅動器需要輸出最大電流，必須透過設計外部閘極電阻來確保適當的脈衝電流值。
 

2. tC與tD之間，閘極電壓和閘極電流保持恆定，此時是在給閘極集電極電容C充電。GC進行充電。這是功率晶體管開通過程中的一個重要步驟。上面提到的米勒平台，其持續時間由驅動電流的大小決定。因此，使用大平均電流的閘極驅動器可以實現更快的開通速度。在此平台時間內，集電極－發射極電壓（VCE）降至其飽和電壓。同時決定元件C-E兩端的dV/dt，米勒平台越短，dV/dt越高。開通電阻RG，開啟和米勒平台時間t開啟的關係如下：

其中QGC是圖1中C時刻到D時刻的充電電荷。如果有明確的米勒平台時間t開啟設計目標值，可以利用上述公式得出RG，上。
 

注：V請提供完整的句子以便翻譯。是米勒平台電平電壓
 

 利用QG計算功耗 

通過計算功率晶體管的總閘極電荷QGtot供電電壓 VVCC2–VVEE2開關頻率fS及外部柵極電阻，來估算輸出部分的損耗。由於許多設計在開通和關斷時使用不同的電阻器，因此必須考慮開通和關斷的不同情況。這會產生一個特定的損耗分佈，取決於：
 

■ 外部柵極電阻R剛，繼續與R戈夫，擴展；

■ 柵極驅動器輸出部分的內部阻抗，R貢，集成電路和R戈夫，IC；

■ 功率元件的內部閘極阻抗，RG，整數。

 利用QG設計電源退耦電容 

驅動器輸出端電源的電容器需要足夠大，以確保在功率開關導通時，電源電壓的下降保持在設計期望值內。這個值與Q相關。G有關，可以使用以下方程式初步估算電容器：

此處的我第二季代表柵極驅動器的拉（源）靜態電流，fsw是開關頻率，QG是功率晶體管的總閘極電荷，而ΔVVCC是柵極最大電壓變化。考慮到電容器和柵極電荷參數的誤差典型值，額外增加了20%的餘量。

例如，如果以15kHz的頻率驅動柵極電荷為QG=160nC的英飛凌TRENCHSTOP™ IGBT4 IKW40N120H3為例，柵極驅動器輸出側靜態電流最大值為3mA（1ED3321），允許200mV的柵極電源電壓變化，則所需的最小電容為：

考慮到電容值會受到溫度的影響，應至少選擇一個大於4倍的值，例如10uF的電容器。此電容器用於隔離型柵極供電電壓，應盡可能靠近V。CC2和VEE2引腳放置。為了抗噪去耦，應在引腳VCC2與VEE2之間放置一個100nF的電容器。

理解柵極電荷對於驅動設計非常重要，它能幫助你計算驅動器功率，選擇合適的驅動電阻和驅動晶片，並設計合適的驅動電源，以滿足預期的功率元件開關速度。

驅動電路設計系列文章的第一波已完結，共10篇，2萬字。

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）——驅動器的輸入端探究

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）——驅動器的自舉電源動態過程

驅動電路設計（七）——自舉電源在5kW交錯調制圖騰柱PFC應用

驅動電路設計（八）——米勒鉗位雜談

驅動電路設計（九）——閘極鉗位
 

參考資料

1.英飛凌工業半導體驅動技術合集

2. IGBT模組：技術、驅動和應用 機械工業出版社 

3. AN 2022-03 EiceDRIVER™ F3——具備短路保護功能的單通道增強型隔離閘極驅動器系列 

4. AN2017-04 使用 EiceDRIVER™ 為碳化矽 (SiC) MOSFET 提供高級閘極驅動選項

5. AN944 Infineon-使用閘極電荷設計閘極驅動電路

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