驅(qū)動(dòng)電路中的誤開通及應(yīng)對(duì)方法

應(yīng)用筆記分享

驅(qū)動(dòng)電路中的誤開通及應(yīng)對(duì)方法

驅(qū)動(dòng)電路中的誤開通

功率器件如 MOSFET、IGBT 可以看作是一個(gè)受門極電壓控制的開關(guān)。當(dāng)門極電壓大于開通閾值時(shí)，功率器件就會(huì)被開通；而當(dāng)門極電壓低于開通閾值時(shí)，功率器件就會(huì)被關(guān)斷。但在實(shí)際的應(yīng)用中，由于器件及外圍線路寄生參數(shù)的影響，會(huì)導(dǎo)致原本關(guān)斷的功率器件會(huì)被誤開通。

圖 1. 米勒效應(yīng)引起的誤開通

圖1顯示了米勒效應(yīng)帶來的誤開通。當(dāng) MOSFET 關(guān)斷而對(duì)管導(dǎo)通時(shí)， Vds 電壓快速的上升產(chǎn)生高的 dv/dt，從而在電容 Cgd 中產(chǎn)生位移電流( igd)。這個(gè)位移電流流經(jīng) Rg, M2 后就會(huì)在 Vg上產(chǎn)生一個(gè)電壓尖峰 (Vspk)。如果這個(gè)電壓尖峰超過了 MOSFET 的開通閾值，MOSFET 就會(huì)被開通，從而導(dǎo)致電路直通甚至損壞。

還有一種誤開通是由于線路上的寄生電感引起的，如圖2所示。Ls 是MOSFET 源極上的寄生電感。當(dāng) MOSFET 快速關(guān)斷時(shí)，電流（ids）迅速的減小產(chǎn)生較高的 di/dt，從而在 Ls 的兩端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的電壓（VLS）。這個(gè)VLS電壓如果超過了 MOSFET 的門極閾值，MOSFET 就會(huì)被誤開通。

圖 2. 寄生電感引起的誤開通

避免驅(qū)動(dòng)誤開通的方法

門極電阻、電容法

為了避免功率管的誤開通，常用的方法是通過調(diào)整門極驅(qū)動(dòng)的電阻和電容，如圖3所示。

圖 3. 調(diào)整門極驅(qū)動(dòng)電阻和電容

通過調(diào)節(jié)RON/ROFF 的大小可以來調(diào)整 MOSFET 的開通/關(guān)斷速度：增大RON/ROFF來減慢MOSFET開通/關(guān)斷的速度，減小 dv/dt (di/dt) 從而減小門極電壓尖峰。但另一方面，增大ROFF會(huì)使得門極驅(qū)動(dòng)線路上的電阻變大，Cgd上產(chǎn)生的位移電流流經(jīng) ROFF后的電壓也會(huì)相應(yīng)的變高，實(shí)際應(yīng)用中有時(shí)增大 ROFF并不能讓電壓尖峰有效的降低。另外由于增大ROFF會(huì)使 MOSFET 的關(guān)斷速度變慢，從而使 MOSFET 的功耗增大。

在 MOSFET 的門極和源極之間并聯(lián)一個(gè)外部電容 CGS_E也可以降低門極電壓尖峰，但是它跟增大 RON/ROFF一樣, 會(huì)使 MOSFET 的整個(gè)開、關(guān)速度都變慢，從而導(dǎo)致整 MOSFET 的功耗增大。

米勒鉗位法

為了有效的抑制由于米勒效應(yīng)帶來的門極誤開通，可以在靠近功率管的門極處放一個(gè)三極管來防止在關(guān)斷期間的誤開通，如圖4。在關(guān)斷期間，由于 Vds較高的 dv/dt 使 Vg電壓升高，此時(shí) Q1 會(huì)導(dǎo)通，從而將 Vg電壓拉低防止誤開通 MOSFET。在實(shí)際的應(yīng)用中要注意PCB布線的影響，Q1 要盡量的靠近功率 MOSFET 以減小 Q1、MOSFET 門極和源極之間的環(huán)路，從而降低整個(gè)環(huán)路路上的阻抗。

圖 4. 外部三極管米勒鉗位

數(shù)明半導(dǎo)體提供的一些驅(qū)動(dòng)芯片集成了米勒鉗位的功能，比如 SLMi33x 系列驅(qū)動(dòng)芯片都有米勒鉗位功能。通過將米勒鉗位引腳連接到靠近功率管門極處就能有效的抑制米勒尖峰的問題。

圖 5. SLMi334 中的米勒鉗位功能

圖5顯示了 SLMi334 中的米勒鉗位功能。SLMi334 通過 VCLAMP 腳監(jiān)控 MOSFET 門極電壓，當(dāng)門極電壓大于米勒鉗位閾值(典型2V)時(shí)，內(nèi)部的米勒鉗位電路就會(huì)把 M3 開通，提供額外的一路下拉電流將門極電壓下拉。在實(shí)際的應(yīng)用中，從 VCLMP 腳到 MOSFET 的門極這條 PCB 布線一定要短且粗，以減小 PCB 布線帶來的阻抗影響。

負(fù)壓驅(qū)動(dòng)法

米勒鉗位電路能夠有效的抑制由于米勒效應(yīng)引起的門極電壓尖峰，但是對(duì)于由于寄生電感引起的誤開通，米勒鉗位電路有時(shí)就不是非常的有效，此時(shí)給驅(qū)動(dòng)提供負(fù)電壓是一個(gè)比較好的解決辦法。

圖 6. SLMi334 雙電源驅(qū)動(dòng)

圖6顯示了SLMi334用雙電源驅(qū)動(dòng)時(shí)的線路連接。VCC2接正電源，比如 15V，而 VEE 接負(fù)電源，比如負(fù) 8V。這樣在在功率管關(guān)斷的時(shí)候，即使有米勒尖峰或由于線路寄生電感引起的電壓尖峰，功率管也能可靠的工作。

對(duì)于負(fù)電壓驅(qū)動(dòng)法，需要系統(tǒng)提供一個(gè)負(fù)電壓。一般情況下是由系統(tǒng)的輔助電源來提供這一路負(fù)電源的。但是有些系統(tǒng)出于成本和別的各種原因，沒有這樣的負(fù)電壓可用，那么可以考慮以下兩種方法。

圖 7. 利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生負(fù)電壓

圖7是利用穩(wěn)壓管 DZ, 電阻 RZ和電容 CZ在 DZ兩端產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓VZ。當(dāng) OUT 出是高的時(shí)候，加在功率管門極的驅(qū)動(dòng)電壓是 VCC-VZ。而當(dāng) OUT 輸出為低的時(shí)候，加在功率管門極的驅(qū)動(dòng)電壓是 -VZ。這里要注意的是驅(qū)動(dòng)電流需要流經(jīng) CZ這個(gè)電容，為了保持 VZ電壓的穩(wěn)定，CZ的容值不能太小。

圖 8. 利用隔直電容產(chǎn)生負(fù)壓

圖8是利用隔直電容 CB來產(chǎn)生一個(gè)電壓 VCB，從而在 OUT 輸出為低的時(shí)候在功率管的門極提供負(fù)的 VCB 驅(qū)動(dòng)電壓。在輸出為高的時(shí)候，加在功率管兩端的門極電壓為 VCC-VCB。VCB這個(gè)電壓跟驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比（Duty）相關(guān)，VCB=VCC× Duty，所以這個(gè)電路比較適合用于占空比較穩(wěn)定的電路中。這個(gè)電路中的穩(wěn)壓管 DZ主要是用于鉗位 VCB電壓，防止在大占空比下 VCB電壓過高。

總 結(jié)

對(duì)于驅(qū)動(dòng)電路中的誤開通，需要根據(jù)實(shí)際的情況進(jìn)行分析并加以解決。調(diào)整功率器件的開關(guān)速度能減小電壓尖峰，但是它或降低整個(gè)系統(tǒng)的效率。米勒鉗位電路對(duì)于因米勒效應(yīng)引起的門極尖峰有很好的抑制作用。PCB 走線對(duì)于門極電壓的尖峰有很大的影響，要盡量減小 PCB 走線帶來的寄生參數(shù)。負(fù)壓驅(qū)動(dòng)能很好的解決門極電壓尖峰問題，但是它的代價(jià)是需要額外的負(fù)電壓或額外的輔助器件。

審核編輯：湯梓紅