如何减轻米勒电容所引起的寄生导通效应

发表于 讨论求助 2020-04-30 01:52:26



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当IGBT在开关时普遍会遇到的一个问题即寄生米勒电容开通期间的米勒平台。米勒效应在单电源门极驱动的应用中影响是很明显的。基于门极G与集电极C之间的耦合,在IGBT关断期间会产生一个很高的瞬态dv/dt,这样会引发门极VGE间电压升高而导通,这是一个潜在的风险(如图1)。




图1:下管IGBT因为寄生米勒电容而引起导通

寄生米勒电容引起的导通
在半桥拓扑中,当上管IGBT(S1)正在导通, 产生变化的电压dV/dt加在下管IGBT(S1)C-E间。电流流经S2的寄生米勒电容CCG 、门极驱动电阻RG 、内部集成门极驱动电阻RDRIVER ,如图1所示。电流大小大致可以如下公式进行估算:

这个电流产生使门极电阻两端产生电压差,这个电压如果超过IGBT的门极驱动门限阈值,将导致寄生导通。设计工程师应该意识到IGBT节温上升会导致IGBT门极驱动阈值会有所下降,通常就是mv/℃级的。

当下管IGBT(S2)导通时,寄生米勒电容引起的导通同样会发生在S1上。

减缓米勒效应的解决方法
通常有三种传统的方法来解决以上问题:第一种方法是改变门极电阻(如图2);第二种方法是在在门极G和射极E之间增加电容(如图3);第三种方法是采用负压驱动(如图4)。除此之外,还有一种简单而有效的解决方案即有源钳位技术(如图5)。

独立的门极开通和关断电阻
门极导通电阻RGON影响IGBT导通期间的门极充电电压和电流;增大这个电阻将减小门极充电的电压和电流,但会增加开通损耗。

寄生米勒电容引起的导通通过减小关断电阻RGOFF可以有效抑制。越小的RGOFF同样也能减少IGBT的关断损耗,然而需要付出的代价是在关断期间由于杂散电感会产生很高的过压尖峰和门极震荡。



图2:独立的门极开通和关断电阻

增加G-E间电容以限制米勒电流
G-E间增加电容CG将影响IGBT开关的特性。CG分担了米勒电容产生的门极充电电流,鉴于这种情况,IGBT的总的输入电容为CG||CG’。门极充电要达到门极驱动的阈值电压需要更多的电荷(如图3)。



图3:G-E间增加电容

因为G-E间增加电容,驱动电源功耗会增加,相同的门极驱动电阻情况下IGBT的开关损耗也会增加。

采用负电源以提高门限电压
采用门极负电压来安全关断,特别是IGBT模块在100A以上的应用中,是很典型的运用。在IGBT模块100A以下的应用中,处于成本原因考虑,负门极电压驱动很少被采用。典型的负电源电压电路如图4。



图4:负电源电压

增加负电源供电增加设计复杂度,同时也增大设计尺寸。

有源米勒钳位解决方案
为了避免RG优化问题、CG的损耗和效率、负电源供电增加成本等问题,另一种通过门极G与射极E短路的方法被采用来抑制因为寄生米勒电容导致的意想不到的开通。这种方法可以在门极G与射极E之间增加三级管来实现,在VGE电压达到某个值时,门极G与射极E的短路开关(三级管)将触发工作。这样流经米勒电容的电流将通过三极管旁路而不至于流向驱动器引脚VOUT。这种技术就叫有源米勒钳位技术(如图5)。


图5:有源米勒钳位采用外加三极管

增加三级管将增加驱动电路的复杂度。

结论
以上阐述的四种技术的对比如下表1


抑制寄生米勒导致的误导通效果成本开关损耗
其他
减小RGOFF+LOW过压尖峰高,需要优化
增加CG
+LOW降低效率,需要优化
负电源供电++
HIGH增加设计复杂度
有源米勒钳位++LOW增加设计复杂度


在最近几年时间里,高度集成的门极驱动器已经包含有源米勒钳位解决方案并带有饱和压降保护、欠电压保护,有如AVAGO技术的ACPL-331J和ACPL-332J,对产品设计者和工业/消费生产商来说,这将降低设计的复杂度和产品尺寸。

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