如何使單極性柵極驅(qū)動器提供雙極性電壓

是否需要專門的柵極驅(qū)動器來提供正負電壓？

不需要。可以調(diào)整單極性柵極驅(qū)動器，改用雙極性方式驅(qū)動。如果一個特殊的功率器件需要正負柵極驅(qū)動，電路設(shè)計人員無需特別尋找可進行雙極性操作的特殊柵極驅(qū)動器。使用一個簡單的技巧，就可以使單極性柵極驅(qū)動器提供雙極性電壓！

當驅(qū)動中/高功率MOSFET和IGBT時，一旦功率器件上的電壓變化速率較高，就會存在密勒效應(yīng)導(dǎo)通風(fēng)險。電流通過柵極-漏極電容或柵極-集電極電容注入到功率器件的柵極。如果電流注入足夠大，使柵極電壓高于器件的閾值電壓，則可以觀察到寄生導(dǎo)通效應(yīng)，從而導(dǎo)致效率降低，甚至出現(xiàn)器件故障。

通過使用一個從功率器件柵極到源極或漏極的超低阻抗路徑，或者通過為柵極提供一個相對于源極或漏極的負驅(qū)動電壓，可以緩解密勒效應(yīng)。密勒效應(yīng)導(dǎo)通緩解技術(shù)的目標是當通過密勒電容的電流達到尖峰時，保持柵極電壓在期望的閾值以下。

某些功率器件類型的完全關(guān)斷甚至需要負電壓，必須要求來自柵極驅(qū)動器的負電壓驅(qū)動。器件制造商建議使用負柵極驅(qū)動電壓的器件包括標準的硅基MOSFET、IGBT、SiC和GaN器件。

可在副邊（功率器件驅(qū)動邊）單極性電源下工作的隔離柵極驅(qū)動器種類繁多，但是，允許顯式雙極性電壓驅(qū)動的柵極驅(qū)動器器件相比之下要少很多?？朔鄙儇摉艠O驅(qū)動器件的一種方法是將柵極驅(qū)動器件相對于功率器件偏移，從而形成相對于功率器件的源極或漏極的負柵極驅(qū)動電壓，而柵極驅(qū)動器IC仍然只看到單極性電源。單極性和雙極性柵極驅(qū)動波形示例如圖1所示。

圖1. (a)單極性和(b)雙極性柵極驅(qū)動波形。

一個具有理想電壓源的原理圖如圖2所示。在這個示例中，驅(qū)動器IC的供電電壓等于V1、V2之和，而MOSFET的柵極驅(qū)動電壓為導(dǎo)通狀態(tài)下的+V1和關(guān)斷狀態(tài)下的–V2（相對于MOSFET的源極節(jié)點）。請注意，在此示例中，兩個電壓源都已使用單獨的電容去耦。柵極驅(qū)動器IC的有效去耦是電容的串聯(lián)組合，小于每個單獨電容的容值。如有需要，可以在V DD和GND之間添加額外的去耦，但最重要的是要保持C1和C2作為提供低阻抗路徑柵極電流的電容，在打開和關(guān)閉期間各自獨立。

隔離柵極驅(qū)動器IC通常帶有欠壓閉鎖 (UVLO)，以防止柵極驅(qū)動器的柵極電壓太低時，功率器件發(fā)生弱驅(qū)動。如圖2所示，在驅(qū)動單極性柵極驅(qū)動器時，必須注意UVLO的預(yù)期操作，因為UVLO通常以柵極驅(qū)動器的地為基準?？紤]V1 = 15 V，V2 = 9 V，且柵極驅(qū)動器UVLO約為11 V的情況，這是常見的IGBT的工作狀況。如果V1下降超過4 V，則UVLO不會觸發(fā)，但在導(dǎo)通期間將在11 V以下驅(qū)動IGBT，因此IGBT發(fā)生欠壓驅(qū)動。

為了解決這一問題，可以通過使用兩個隔離電源來創(chuàng)建兩個單獨的電壓源，但這種方法的成本往往令人擔(dān)憂。如果使用反激式拓撲，則可以使用多個繞組抽頭，從而可以相對容易地獲得多個電壓。有些隔離電源模塊可以提供隔離電源，并且一些制造商正選用適合功率器件的電壓。其中一個例子是RECOM，其針對IGBT的器件產(chǎn)品線生成+15 V和-9 V的隔離電源軌。

圖2. 雙極性電源的設(shè)置示例。

圖3. 齊納二極管示例。

對于如此大的電壓擺幅，柵極驅(qū)動器所能承受的電壓范圍必須比其他器件更大。ADI采用i Coupler ?技術(shù)的ADuM4135和ADuM4136 IGBT 柵極驅(qū)動器能在這種電壓范圍下正常工作，它們的建議電壓范圍可高達30 V。兩款器件在輸出邊都提供了一個專門的接地引腳，使驅(qū)動器的UVLO能夠以正電源軌為基準。ADuM4135還包括一個集成的密勒箝位，可進一步抑制密勒效應(yīng)導(dǎo)致的柵極電壓突變。

從單電壓源產(chǎn)生雙極性電源的一個簡單方法是使用偏置齊納二極管以生成第二個電壓源。雖然柵極驅(qū)動器在功率器件的導(dǎo)通和關(guān)斷期間提供高電流，但是實際需要電源提供的平均電流相對較低，對于大多數(shù)應(yīng)用而言通常在幾十毫安范圍內(nèi)。

使用齊納二極管既可以調(diào)節(jié)正電壓，又可以調(diào)節(jié)負電壓，并且可以基于哪個電壓軌需要更高的精度來進行選擇。圖3所示的設(shè)置示例是調(diào)節(jié)正電壓，而不是負電壓。需要正電壓調(diào)節(jié)的一個可能原因是，柵極驅(qū)動器對柵極電壓有嚴格的容差要求（例如某些GaN器件的情況）。調(diào)節(jié)正電源還有一個額外的優(yōu)勢，即允許柵極驅(qū)動器的UVLO按預(yù)期工作，因為V3的任何波動都會被齊納二極管衰減，直到V3低至無法提供齊納二極管的工作電壓。

使用齊納二極管由一個電源生成兩個電源還具有節(jié)省布局空間的優(yōu)勢。齊納二極管和電阻不僅有效地取代了整個隔離電壓源，而且通過使用單極性隔離柵極驅(qū)動器，可以采用六引腳器件（例如ADI采用iCoupler技術(shù)的ADuM4120），從而可在柵極驅(qū)動器IC附近的隔離爬電區(qū)域節(jié)省更多空間。

使用ADI的ADuM4121和GaN Systems的GS66508T創(chuàng)建的齊納二極管雙極性設(shè)置參考示例，可創(chuàng)建一個半橋。這個示例的設(shè)計旨在以器件源極為基準生成一個+5 V和–4 V驅(qū)動。通過使用不同的齊納二極管和相同的9V隔離電源，可以很輕松地將這個示例改為+6 V和-3 V驅(qū)動。較大的死區(qū)時間用于將密勒突變與其他關(guān)斷瞬變從視覺上區(qū)分開，但實際上，ADuM4121可實現(xiàn)更短的死區(qū)時間（幾十納秒范圍內(nèi)）,這是高效GaN設(shè)計的一個重要指標。

圖4. ADuM4121和GS66508T的實驗結(jié)果。

創(chuàng)建可以緩解密勒效應(yīng)寄生導(dǎo)通的柵極負電壓驅(qū)動器并不一定很復(fù)雜。許多現(xiàn)有的單極性工作的柵極驅(qū)動器，借助很少的外部電路就可以輕松驅(qū)動?xùn)艠O負電壓。確實還需要考慮一些其他因素（如有效UVLO電壓），但這種方法的優(yōu)勢更大。