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。
現在市場上的功率半導體元件如IGBT、MOSFET、SiC MOSFET和GaN，大多是電壓柵控元件，驅動起來比電流型雙極性電晶體BJT容易得多，只需要有限的電荷給柵極電容充電。但問題在於，這類元件很容易受到干擾。除了米勒電流引起的誤導通之外，由於其他種種原因，柵極電壓被抬高後，也可能帶來短路風險，導致損耗增加，甚至影響元件壽命，損壞柵極。
柵極鉗位
前文《驅動電路設計（八）---米勒鉗位雜談》已經提到過，在功率元件的開關過程中，由於C-E（D-S）之間的dv/dt快速變化，會通過米勒電容產生位移電流，從而對閘極電容進行充電。這可能會導致功率元件的閘極電壓升高，特別是在關斷過電流和短路電流的情況下。
IGBT短路時，其短路電流ISC是由閘極電壓決定的：
因此，將柵極電壓限制在某個合理的最大值是非常重要的，這樣可以使短路電流的值不至於過大，從而不會超出最大的短路能量。圖1展示了一種1200V IGBT柵極電壓、短路電流和最大短路時間之間的關係。如果柵極鉗位能夠很好地限制短路時的最大柵極電壓，那麼也就能夠限制最大的短路電流。
圖1. 閘極電壓、短路電流和最大短路時間之間的關係
圖2a和2b展示了兩種不同的柵極鉗位方法。首先，可以在IGBT VT1的柵極和發射極之間連接一個單向或雙向的TVS二極體。當柵極電壓超過TVS二極體的擊穿電壓時，TVS二極體會變為低阻抗通路，從而實現快速泄放的目的。需要考慮誤差和溫度的影響，即：
另外一種柵極鉗位的方法是透過二極體VD2直接將閘極與驅動電源電壓連接，因此閘極電壓被限制在電源電壓加上二極體正向壓降之內。當驅動輸出級為軌對軌輸出時，夾位到電源是一個不錯的選擇。當電源電壓為+15V時，如果發生短路，閘極電壓可以有效地被限制在+16V以內。
圖2. 閘極鉗位
在選擇TVS管時，要注意擊穿電壓的最大值和最小值之間通常會有一個較寬的範圍，如圖3所截取的數據手冊所示。除了考慮最大值，還需要考慮溫度的影響，一般擊穿電壓會隨著溫度升高而增加，另外溫度升高後會使二極體的額定耗散功率降低，如圖4所示。
圖3. 飛兆半導體的SMBJ5V0(C)A—SMBJ170(C)A系列TVS二極體資料手冊
圖4. 脈衝功率降額曲線
在選擇電源鉗位二極體時，必須確保在高溫下，二極體的漏電流或反向電流IR較低。如果反向電流過高，就會成為驅動器電源不必要的負載，反向電流還可能導致關斷狀態的功率元件閘極電壓被抬高。此時，如果沒有R通用電氣驅動級對地具有高阻抗，甚至接近或超過功率元件的開啟閾值電壓，在一些不利條件下，功率半導體可能因此出現寄生開啟。
與PN結二極體相比，蕭特基二極體的正向電壓非常低，因此非常適合用於電源鉗位。而選用PN結二極體後，鉗位電壓至少為17V，特別是在BJT輸出的閘極驅動中（如圖2a所示）。當蕭特基二極體用於MOSFET推挽輸出級時，有可能將閘極電壓...U通用電氣鉗位在+15V，見圖2b。
相比於PN接面二極體，蕭特基二極體的缺點在於它們在高溫時反向漏電流更高。因此必須根據其反向電流的特性選擇合適的蕭特基二極體。圖5a是快速恢復PN二極體，圖5b為蕭特基二極體的漏電流特性。注意蕭特基二極體的漏電流比矽快速恢復二極體大很多。
圖5. 肖特基二極體和快速恢復PN二極體的IR=f(UR,Tj)特性
設計中還有一個問題也很重要，為了不對柵極鉗位產生影響，柵極電壓和電源之間的寄生電感應該盡可能小，這也是功率元件應用的一般原則。
柵極鉗位也不適合用於每個週期的正常開關過程。鉗位時，驅動級電流會有一部分注入鉗位二極體，這會導致驅動負載不必要的增加。因此，在選擇元件時，應確保其V...RWM（最大反向工作電壓）不低於且盡可能接近被保護線路的正常最大工作電壓，比如說15V。
主動關斷電路
EiceDRIVER™ Compact 1ED314x採用另一種方法應對米勒電流——主動關斷功能。這是一項驅動器的保護功能，其設計目的是防止功率開關閘極懸浮時發生誤導通。
如果驅動器失去電源，也就是 VCC2 掉電，驅動器的主動關斷電路就會啟動，供電來源是驅動器所連接閘極的浮動電壓。
如果開關上出現高速的dUCE/dt，就會產生米勒電流，主動關斷電路一樣可以提供米勒鉗位，即使柵極驅動器沒有接通電源，主動關斷電路也會利用該電壓為自己供電，並主動將柵極拉低。
圖6. EiceDRIVER™ Compact 1ED314xMU12的主動關斷
閘極鉗位設計原則
柵極電壓鉗位是功率半導體可靠運作的必要條件，實現的方法多種多樣，設計時需抓住重點：
1. 鉗位電壓以精準為佳
2. 鉗位電路不要成為驅動的負載
3. 鉗位電路不能在正常工作狀態下被觸發
系列文章
驅動電路設計（七）——自舉電源在5kW交錯調制圖騰柱PFC應用
參考資料
2. IGBT模組：技術、驅動和應用 機械工業出版社
3. 資料表 EiceDRIVER™ 1ED332xMC12N 增強版 (1ED-F3)
4. 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
5. AN-2021-03 技術說明 1ED324xMC12H_1ED325xMC12H 應用說明
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