減輕直流穩(wěn)壓電源米勒電容所引起的寄生導(dǎo)通效應(yīng)
2017-7-25 10:16:47??????點(diǎn)擊：
當(dāng)直流穩(wěn)壓電源IGBT在開(kāi)關(guān)時(shí)普遍會(huì)遇到的一個(gè)問(wèn)題即寄生米勒電容開(kāi)通期間的米勒平臺(tái)。米勒效應(yīng)在單直流穩(wěn)壓電源門(mén)極驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中影響是很明顯的?；陂T(mén)極G與集電極C之間的耦合，在直流穩(wěn)壓電源IGBT關(guān)斷期間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很高的瞬態(tài)dv/dt，這樣會(huì)引發(fā)門(mén)極VGE間直流穩(wěn)壓電源電壓升高而導(dǎo)通，這是一個(gè)潛在的風(fēng)險(xiǎn)(如圖1）。
圖1：下管直流穩(wěn)壓電源IGBT因?yàn)榧纳桌针娙荻饘?dǎo)通
寄生米勒電容引起的導(dǎo)通
在半橋拓?fù)渲?，?dāng)上管直流穩(wěn)壓電源IGBT(S1)正在導(dǎo)通， 產(chǎn)生變化的直流穩(wěn)壓電源電壓dV/dt加在下管直流穩(wěn)壓電源IGBT（S1)C-E間。直流穩(wěn)壓電源電流流經(jīng)S2的寄生米勒電容CCG 、門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻RG 、內(nèi)部集成門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻RDRIVER ，如圖1所示。直流穩(wěn)壓電源電流大小大致可以如下公式進(jìn)行估算：
這個(gè)直流穩(wěn)壓電源電流產(chǎn)生使門(mén)極電阻兩端產(chǎn)生直流穩(wěn)壓電源電壓差，這個(gè)直流穩(wěn)壓電源電壓如果超過(guò)直流穩(wěn)壓電源IGBT的門(mén)極驅(qū)動(dòng)門(mén)限閾值，將導(dǎo)致寄生導(dǎo)通。設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該意識(shí)到直流穩(wěn)壓電源IGBT節(jié)溫上升會(huì)導(dǎo)致直流穩(wěn)壓電源IGBT門(mén)極驅(qū)動(dòng)閾值會(huì)有所下降，通常就是mv/℃級(jí)的。
當(dāng)下管直流穩(wěn)壓電源IGBT(S2)導(dǎo)通時(shí)，寄生米勒電容引起的導(dǎo)通同樣會(huì)發(fā)生在S1上。
減緩米勒效應(yīng)的解決方法
通常有三種傳統(tǒng)的方法來(lái)解決以上問(wèn)題：第一種方法是改變門(mén)極電阻(如圖2);第二種方法是在在門(mén)極G和射極E之間增加電容(如圖3);第三種方法是采用負(fù)壓驅(qū)動(dòng)(如圖4)。除此之外，還有一種簡(jiǎn)單而有效的解決方案即有源鉗位技術(shù)(如圖5)。
獨(dú)立的門(mén)極開(kāi)通和關(guān)斷電阻
門(mén)極導(dǎo)通電阻RGON影響直流穩(wěn)壓電源IGBT導(dǎo)通期間的門(mén)極充電直流穩(wěn)壓電源電壓和直流穩(wěn)壓電源電流;增大這個(gè)電阻將減小門(mén)極充電的直流穩(wěn)壓電源電壓和直流穩(wěn)壓電源電流，但會(huì)增加開(kāi)通損耗。
寄生米勒電容引起的導(dǎo)通通過(guò)減小關(guān)斷電阻RGOFF可以有效抑制。越小的RGOFF同樣也能減少直流穩(wěn)壓電源IGBT的關(guān)斷損耗，然而需要付出的代價(jià)是在關(guān)斷期間由于雜散電感會(huì)產(chǎn)生很高的過(guò)壓尖峰和門(mén)極震蕩。
圖2：獨(dú)立的門(mén)極開(kāi)通和關(guān)斷電阻
增加G-E間電容以限制米勒直流穩(wěn)壓電源電流
G-E間增加電容CG將影響直流穩(wěn)壓電源IGBT開(kāi)關(guān)的特性。CG分擔(dān)了米勒電容產(chǎn)生的門(mén)極充電直流穩(wěn)壓電源電流，鑒于這種情況，直流穩(wěn)壓電源IGBT的總的輸入電容為CG||CG’。門(mén)極充電要達(dá)到門(mén)極驅(qū)動(dòng)的閾值直流穩(wěn)壓電源電壓需要更多的電荷(如圖3)。
圖3：G-E間增加電容
因?yàn)镚-E間增加電容，驅(qū)動(dòng)直流穩(wěn)壓電源功耗會(huì)增加，相同的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻情況下直流穩(wěn)壓電源IGBT的開(kāi)關(guān)損耗也會(huì)增加。
采用直流穩(wěn)壓電源負(fù)以提高門(mén)限直流穩(wěn)壓電源電壓
采用門(mén)極負(fù)直流穩(wěn)壓電源電壓來(lái)安全關(guān)斷，特別是直流穩(wěn)壓電源IGBT模塊在100A以上的應(yīng)用中，是很典型的運(yùn)用。在直流穩(wěn)壓電源IGBT模塊100A以下的應(yīng)用中，處于成本原因考慮，負(fù)門(mén)極直流穩(wěn)壓電源電壓驅(qū)動(dòng)很少被采用。典型的直流穩(wěn)壓電源負(fù)直流穩(wěn)壓電源電壓直流穩(wěn)壓電源電路如圖4。
圖4：直流穩(wěn)壓電源負(fù)直流穩(wěn)壓電源電壓
增加直流穩(wěn)壓電源負(fù)供電增加設(shè)計(jì)復(fù)雜度，同時(shí)也增大設(shè)計(jì)尺寸。
有源米勒鉗位解決方案
為了避免RG優(yōu)化問(wèn)題、CG的損耗和效率、直流穩(wěn)壓電源負(fù)供電增加成本等問(wèn)題，另一種通過(guò)門(mén)極G與射極E短路的方法被采用來(lái)抑制因?yàn)榧纳桌针娙輰?dǎo)致的意想不到的開(kāi)通。這種方法可以在門(mén)極G與射極E之間增加三級(jí)管來(lái)實(shí)現(xiàn)，在VGE直流穩(wěn)壓電源電壓達(dá)到某個(gè)值時(shí)，門(mén)極G與射極E的短路開(kāi)關(guān)(三級(jí)管)將觸發(fā)工作。這樣流經(jīng)米勒電容的直流穩(wěn)壓電源電流將通過(guò)三極管旁路而不至于流向驅(qū)動(dòng)器引腳VOUT。這種技術(shù)就叫有源米勒鉗位技術(shù)(如圖5)。
圖5：有源米勒鉗位采用外加三極管
增加三級(jí)管將增加驅(qū)動(dòng)直流穩(wěn)壓電源電路的復(fù)雜度。
結(jié)論
以上闡述的四種技術(shù)的對(duì)比如下表
|
|
抑制寄生米勒導(dǎo)致的誤導(dǎo)通效果 |
成本 |
開(kāi)關(guān)損粍 |
其他 |
|
減小RGOFF |
+ |
LOW |
▼ |
過(guò)壓尖峰高，需要優(yōu)化 |
|
增加CG |
+ |
LOW |
▲ |
降低效率，需要優(yōu)化 |
|
負(fù)電源供電 |
+ + |
HIGH |
T |
增加設(shè)計(jì)復(fù)雜度 |
|
有源 |
+ + |
LOW |
T |
增加設(shè)計(jì)復(fù)雜度 |
在最近幾年時(shí)間里，高度集成的門(mén)極驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)包含有源米勒鉗位解決方案并帶有飽和壓降保護(hù)、欠直流穩(wěn)壓電源電壓保護(hù)
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