驅動電路設計（八）——米勒鉗位雜談

驅動電路設計是功率半導體應用的難點，涉及到功率半導體的動態過程控制及器件的保護，實踐性很強。為了方便實現可靠的驅動設計，英飛凌的驅動集成電路自帶了一些重要的功能，本系列文章將以雜談的形式講述技術背景，然后詳細講解如何正確理解和應用驅動器的相關功能。

什么是誤導通

圖1是最基本的半橋電路，上管開通的波形如圖2所示，這時下管VT2驅動電壓為零，已經關斷了。

圖1. IGBT半橋電路

由圖2可以看出IGBT VT1有兩個明顯的集電極峰值電流。第一個電流尖峰工程師都很熟悉，是來源于下橋臂IGBT的續流二極管VD2的反向恢復電流。注意到沒有，UCE還沒有達到飽和電壓時又出現了第二個電流尖峰，持續時間不長，大約為50ns，分析可以確認這是由于IGBT VT2的瞬時開通導致的。

正常情況下，幾十納秒的脈沖電流還不至于會直接損壞功率半導體器件，然而，額外的損耗是逃不了的，會導致嚴重的結溫升高，降低器件的壽命。另外產生的振蕩會干擾驅動電路和控制電路，造成工作異常。

圖2. 半橋電路上管VT1開通時的波形

為什么會誤導通？

當開通半橋電路下橋臂IGBT VT ₂ 時,上橋臂IGBT VT ₁ 就會產生電壓快速上升d U _CE /dt，其在密勒電容 C _GC 產生電流 i _GC ，即：

圖3. 密勒電容引起寄生開通

該電流 i _GC 將通過IGBT內部柵極電阻 R _Gint 、外部柵極電阻 R _Gext ，和驅動內部電阻 R Dr ，最后到電源地(這里,電源地和IGBT VT ₁ 發射極同電位)，并產生柵極電壓，幅值為：

一旦這時柵極電壓 U _GE 高于IGBT的閾值電壓 U _GE(TO) ，就會產生寄生開通。如果IGBT VT ₂ 已經導通，這將導致短路。好在這類短路持續的時間很短,通常大約是10~100ns，一般IGBT都能承受。

在功率半導體的寄生參數中，除了寄生電容 C _GC ，還有另外一個寄生電容 C _G E 。部分 i _GC 電流將會通過該電容直接到電源地。

圖4. IGBT的寄生電容

英飛凌IGBT7采用微溝槽技術，溝槽密度高，所以可以多做一些溝槽，其中一部分做成偽溝槽，這樣可以優化 C _GC 和 C _GE 比值，減小誤導通風險，使得IGBT更好用。

SiC MOSFET的d U _CE /dt更高，好在SiC的密勒電容只有IGBT的十分之一左右。

工程師可能也會想到在柵極和發射極之間外接個電容 C _GE 也可以降低密勒效應，但需要注意的是額外電容 C _GE 將影響IGBT的開通特性（參考資料2中的第6章6.6.2節）。通常,為了抑制或衰減不需要的振蕩,可以用一個小電阻和電容串聯。

米勒鉗位電路

外接個電容 C _GE 分流是一種古老的思路，集成電路時代一定會考慮用有源器件來實現同樣或更好的功能，這就是米勒鉗位功能。

以EiceDRIVER? F3為例，該柵極驅動器增加了一個CLAMP管腳，跳過外接的柵極電阻R _G 直接連接到功率管的柵極，并保證盡可能低的寄生電感。CLAMP功能腳在鉗位非激活狀態下監測柵極電壓，一旦柵極電壓相對于VEE2低于2V，便開通CLAMP與VEE2之間MOSFET，提供米勒電流低阻抗通路，防止寄生導通。鉗位電路在柵極驅動器再次開通之前保持激活狀態。

圖5. EiceDRIVER? F3 1ED332xMC12N的米勒鉗位

米勒鉗位pre-drive

當米勒鉗位信號走線電感比較大或者大功率器件米勒電流比較大的情況下，驅動芯片自帶的米勒鉗位表現并不理想。一般芯片的米勒鉗位能力只有2A左右，這會降低大功率IGBT的鉗位能力。這時可以選擇帶有外部MOSFET的預驅動器輸出的驅動芯片產品，比如圖6的英飛凌1ED3491。

圖6. 帶米勒預驅的芯片產品

外部的小信號N溝道MOSFET晶體管與驅動器CLAMPDRV腳相連，可實現大電流的箝位。如圖6將MOSFET連接到CLAMPDRV輸出、VEE2引腳和IGBT柵極之間。由于采用了米勒預驅動配置，鉗位電流僅受外部鉗位MOSFET晶體管的限制。根據外部MOSFET的不同，米勒電流鉗位可達20A。鉗位 MOSFET必須靠近IGBT柵極，以盡量減少米勒電流泄放通路的電阻和電感。

英飛凌帶米勒鉗位的工業應用驅動器產品：

EiceDRIVER? Compact隔離柵極驅動器IC

■ X3 Compact：1ED3122MC12H、1ED3127MU12F、1ED3125MU12F

■ 2L-SRC Compact：1ED3251MC12H、1ED3250MC12H

在EiceDRIVER? Enhanced系列隔離柵極驅動器IC

■ F3系列1ED332x

■ X3 Analog系列1ED34x1

■ X3 Digital系列1ED38x0

X3 Analog模擬系列的柵極驅動器1ED3491和X3 Digital數字系列的柵極驅動器1ED3890提供米勒鉗位預驅動器，可驅動一個外部MOSFET，該MOSFET可以放置在非常靠近SiC MOSFET的地方，以減小寄生電感，獲得最好的鉗位效果。

電平位移驅動器：

2ED1323S12P電平位移柵極驅動器同時提供了有源米勒鉗位功能和過電流（ITRIP）保護。

米勒鉗位不是萬能的

IGBT模塊由芯片并聯實現大電流的，為了均流，芯片上自帶柵極電阻，數據手冊上能找到具體數值。這一柵極電阻會影響密勒鉗位的效果。盡管采用了密勒鉗位，根據IGBT和系統設計的不同，柵極電壓仍可能引起IGBT寄生開通。在這種情況下，建議最好避免采用單電源，正負電源可以更有效解決米勒導通問題。