驱动电路设计——栅极电荷和应用

驱动电路设计是功率半导体应用的难点，涉及到功率半导体的动态过程控制及器件的保护，实践性很强。为了方便实现可靠的驱动设计，英飞凌的驱动集成电路自带了一些重要的功能，本系列文章将以杂谈的形式讲述技术背景，然后详细讲解如何正确理解和应用驱动器的相关功能。

MOSFET功率半导体是电压型驱动，驱动的本质是对栅极端口的电容充电，驱动峰值电流是受功率器件驱动电阻和驱动器内阻影响的，而驱动功率则由栅极电荷、驱动电压和开关频率决定。因为栅极电荷也决定这功率器件的开关行为，所以理解栅极电荷对于驱动设计很重要。

栅极电荷

IGBT的栅极对外显示出类似电容的特性，即栅极电荷由驱动提供给栅极电压和器件栅极电容决定，即：

如果电容的数值是恒定不变的，电压与电荷就呈简单的线性关系。但是IGBT的栅极等效电容则不一样，是非线性的。图1给出了栅极电荷Q_G标幺值和栅极电压U_GE的关系，是分段线性的，拐点发生在器件状态发生变化时，最终驱动电压到15V设计值，充电电荷到达E点。

图1.栅极电荷Q_G标幺值和栅极电压U_GE的关系

图中可以看到栅极电荷充电过程可以分为四个区域。

1、在时间A处，栅极电荷处于积累模式。在时间段AB之间对电容C_GE充电，U_GE根据式(10.2)上升。在实际的应用之中，时间t_A-B由栅极电阻(包括器件内部和外部电阻)和等效栅极电容决定，所以，CGE不是线性上升，而是按指数规律上升。

在绝大多数应用中，驱动电源是一个电压源，因此在开通过程中，由于驱动电压下降，栅极电流I_G的增大依赖于时间。用一个电流源代替电压源驱动IGBT，可以实现UGE的线性增大，因此Q/U的梯度总是线性的。

2、在时间B处，U_GE到达了平带电压UFB，受电压影响的MOS电容(属于C_GE的一部分)不再影响充电过程。这时相比于时间段AB，CGE的值降低。相应地，栅极充电斜率上升。在时间段BC之间，栅极电压U_GE,B-C超过栅极阈值电压U_GE(TO)，所以IGBT开始工作。

平带电压U_FB描述了在某一时间,栅极表面和下层半导体金属氧化层(两者之间有栅极氧化层隔离)之间的电位相同。这时,由于栅极电荷和半导体电荷互相抵消,半导体金属氧化层的能带是平坦的。

在A到C阶段，驱动器在给C_GE充电，电荷为Q_GE。

3、在时间段CD，栅极的充电过程是由反馈电容C_GC(也叫作密勒电容)决定的。这时，集-射极电压U_CE不断降低，电流I_GC通过C_GC给栅极放电，这部分电流需要驱动电流IDirver来补偿。这时栅极出现一个恒定的电压，这种现象叫作密勒电压或密勒平台。我们可以说驱动器在给C_GC充电，电荷为Q_GC。

由于集电极-发射极之间的电压变换率为负，所以C_GC上的电流也负值，比如，集电极-发射极电压由近似直流母线电压U_DC降为饱和电压U_CEsat。

4、IGBT一旦进入饱和，此时的电压为饱和电压U_CEsat，d_UCE/dt会下降到零，也没有任何反馈。在到达时间点E之前，驱动电流会对栅极一直充电，其效果和在AB段相似。

不同厂家的数据手册和应用文档都给出了类似于图1的栅极电荷充电曲线，也给出了在时间点E时的电荷Q_G=f_(UGE)。

如果给出了IGBT栅-射极之间的推荐电容C_GE，就可以根据该电容得出栅极充电曲线或者充电电荷Q_G。因为栅极电荷与温度几乎无关，所以栅极电荷测量都是在环境温度为25℃时完成的。但是栅极电荷与IGBT的技术和标称电流有关。

由于栅极几何结构上的不同，沟槽栅IGBT比平面IGBT具有更高的栅极电荷，微沟槽技术的器件栅极电荷会相对更大一些，因为IGBT设计中可以提高栅极密度，做一些伪沟槽来平衡器件的电容，提高器件的抗干扰能力。所以对于微沟槽栅IGBT，栅极电容C_GE和充电电荷Q_G的值相对大一点，所以，微沟槽栅IGBT需要提供更大的驱动功率。

利用Q_GC确定开通电阻
选择栅极电阻是设计栅极驱动电路的重要步骤。开通过程中功率开关管（如IGBT）的栅极通过栅极电阻被充电至接近V_VCC2，关断过程中利用栅极驱动器IC内部的源极和漏极晶体管向V_VEE2放电。

基于MOSFET输出的栅极驱动器输出可以简化为动态电阻（R_DS,source，R_DS,sink），在开关过程中会出现压降（V_DS,source,V_DS,sink）。

开通电阻的选择要考虑两个过程：

1、在初始状态，即时间tA时，栅极电位与V_EE2引脚相同。在此阶段，电源电压V_CC2-V_EE2在内部栅极电阻R_DS,source、外部开通栅极电阻R_G,ON以及功率半导体开关内部栅极电阻R_G,int之间分配。这是栅极驱动器需要输出最大电流，要通过设计外部栅极电阻保证合适脉冲电流值。

2、在t_C与t_D之间，栅极电压和栅极电流保持恒定，这时是在给栅极集电极电容C_GC进行充电。这是功率晶体管开-通过程中的一个重要过程。上面提到的米勒平台，其持续时间由驱动电流的大小决定。因此，使用大平均电流的栅极驱动器可以实现更快的开通速度。在此平台时间内，集电极－发射极电压（V_CE）降至其饱和电压。同时决定器件C-E两端的dV/dt，米勒平台越短，dV/dt越高。开通电阻R_G,ON和米勒平台时间t_ON的关系如下：

其中Q_GC是图1中C时刻到D时刻的充电电荷。如果有明确的米勒平台时间t_ON设计目标值，可以利用上面公式得出R_G,on。

注：V_pl是米勒平台电平电压

利用Q_G计算功耗

通过计算功率晶体管的总栅极荷Q_Gtot、供电电压V_VCC2–V_VEE2、开关频率f_S及外部栅极电阻，来估算输出部分的损耗。由于许多设计在开通和关断时使用不同的电阻器，因此必须考虑开通和关断的不同情况。这会产生一个特定的损耗分布，取决于：

■外部栅极电阻R_Gon,ext与R_Goff,ext；

■栅极驱动器输出部分的内部阻抗，R_Gon,IC和R_Goff,IC；

■功率器件的内部栅极阻抗，R_G,int。

利用QG设计电源退耦电容
驱动器输出侧电源的电容器需要足够大，以保证在功率开关开通时的电源电压降在设计期望值内。这个值与Q_G有关，可以使用以下方程式初步估算电容器：

此处的I_Q2代表栅极驱动器的拉（源）静态电流，f_sw是开关频率，Q_G是功率晶体管的总栅极荷，而ΔV_VCC是栅极最大电压变化。考虑到电容器和栅极电荷参数的误差典型值，额外增加了20%的余量。

例如，如果以15kHz的频率驱动栅极电荷为Q_G=160nC的英飞凌TRENCHSTOP™IGBT4IKW40N120H3为例，栅极驱动器输出侧静态电流最大值为3mA（1ED3321），允许200mV的栅极电源电压变化，则所需的最小电容为：

考虑电容值受温度的影响，应至少选择一个大于4倍的值，比如10uF的电容器。此电容器用于隔离型栅极供电电压，应尽可能靠近V_CC2和V_EE2引脚放置。为了抗噪去耦，应在引脚V_CC2与V_EE2之间放置一个100nF的电容器。

理解栅极电荷对于驱动设计很重要，它能帮助你计算驱动器功率，选择合适的驱动电阻和驱动芯片。并设计合适的驱动电源和满足预期的功率器件开关速度。

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