使用IGBT和SIC MOSFET来设计可靠耐用之晶体管电路

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使用IGBT和SIC MOSFET来设计可靠耐用之晶体管电路
米勒电容效应引起的意外导通：
寄生电感引起的意外导通
SiC MOSFET 的驱动器电路

1. 使用IGBT和SIC MOSFET来设计可靠耐用之晶体管电路

在评估新的开关晶体管电路时，通常只考虑晶体管的规格。但是，在最终稳定设计中，驱动器电路起到了非常重要的作用。
为了探索驱动器参数的影响，我们首先以 IGBT 晶体管 (IKW20N60H3) 为例来考虑理想条件。
根据晶体管数据表，我们可以看到在 25°C 时的有效条件如下：

栅极发射极电压阈值 = 4.1 V – 5.7 V
根据这些值，一个 +15 V 栅极驱动器电源和接地端 (GND) 已经足够了，驱动器电路如下所示：

图 1：理想 IGBT 的简单栅极驱动器电路

看起来非常简单！不过，如果考虑到寄生元件，实际模型会变得更加复杂：

图 2：包含 IGBT 寄生元器件的真实栅极驱动器电路

现在，如果考虑栅极发射极阈值也会随温度范围变化，可以明显看出阈值电压会随温度升高而显著降低（几 mV/°K），最坏的情况下会显著低于 25°C 时测得的典型最小值 4.1 V。

图 3：栅极-发射极阈值电压随温度变化

驱动器电路必须在所有工作条件下都能防止意外导通。否则，这可能导致直通短路，表现为损耗增加，元器件压力增加，使用寿命缩短，EMC 变差，在极端情况下还可能导致晶体管损坏。
基本上，我们有两种意外导通时间：
由于米勒电容 (Creverse) 效应引起的意外导通
由于寄生电感 (Lgate 和 Lemitter) 效应引起的意外导通。

2.由于米勒电容效应引起的意外导通

当集电极发射极电压升高时，无论是在低侧 IGBT 关闭还是在桥式电路中，高侧 IGBT 都会导通并且电流流过反并联二极管，米勒电容 (Creverse) 必须充电。
可以按照以下方式计算米勒电容的充电电流：

大多数晶体管数据表中都给出了米勒电容，但这只是一个粗略的值。Creverse 的值与电压密切相关，也会随温度和电流而变化。大多数数据表只定义某些理想条件下的米勒电容，因此我们强烈建议在实际工作条件下测量值。以下图表显示了 VCE 对反向电容的影响：

图 4：Creverse 随 VCE 在 IGBT (IKW20N60H3) 中的变化

对于大多数驱动器电路来说，Creverse 的额外电容负载都不是问题；只有当输入电容 CInput 也被流过 Creverse 的电流充分充电，使得晶体管再次导通时，才会成为问题。
可根据以下关系定义 CInput 的充电电流：

图 5：VCE 条件增加时的电流

Idriver 由直流栅极电阻和 Lgate 的交流电阻决定
L gate 主要由封装形式（THT 或 SMD 模块）和 PCB 布局决定。

那么，如何避免由于米勒电容电流引起的意外导通呢？

1.限制电压变化率 (dV/dt)：通过降低 VCE 电压的变化速率，可以减少 Creverse 电流。然而，这意味着更高的开关损耗。
2.降低寄生电感 Lgate：通过适当选择布局和封装，可将 Creverse 电流从栅极-发射极电容 Gnpu1 充电中分流出来。但是，这会限制 PCB 布局的设计自由度。
3.使用负栅极-发射极电压。如果驱动器输出变为负数，栅极会保持硬关断，并且栅极导通阈值电压和实际栅极电压之间的安全距离增加。因此，即使在最差的 dV/dt 条件下，也不可能出现意外导通。