是否需要專門的柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)提供正負(fù)電壓？

不需要?？梢哉{(diào)整單極性柵極驅(qū)動(dòng)器，改用雙極性方式驅(qū)動(dòng)。如果一個(gè)特殊的功率器件需要正負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)，電路設(shè)計(jì)人員無(wú)需特別尋找可進(jìn)行雙極性操作的特殊柵極驅(qū)動(dòng)器。使用一個(gè)簡(jiǎn)單的技巧，就可以使單極性柵極驅(qū)動(dòng)器提供雙極性電壓！

當(dāng)驅(qū)動(dòng)中/高功率MOSFET和IGBT時(shí)，一旦功率器件上的電壓變化速率較高，就會(huì)存在密勒效應(yīng)導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn)。電流通過(guò)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(guò)使用一個(gè)從功率器件柵極到源極或漏極的超低阻抗路徑，或者通過(guò)為柵極提供一個(gè)相對(duì)于源極或漏極的負(fù)驅(qū)動(dòng)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(biāo)是當(dāng)通過(guò)密勒電容的電流達(dá)到尖峰時(shí)，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(fù)電壓，必須要求來(lái)自柵極驅(qū)動(dòng)器的負(fù)電壓驅(qū)動(dòng)。器件制造商建議使用負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)電壓的器件包括標(biāo)準(zhǔn)的硅基MOSFET、IGBT、SiC和GaN器件。

可在副邊（功率器件驅(qū)動(dòng)邊）單極性電源下工作的隔離柵極驅(qū)動(dòng)器種類繁多，但是，允許顯式雙極性電壓驅(qū)動(dòng)的柵極驅(qū)動(dòng)器器件相比之下要少很多?？朔鄙儇?fù)柵極驅(qū)動(dòng)器件的一種方法是將柵極驅(qū)動(dòng)器件相對(duì)于功率器件偏移，從而形成相對(duì)于功率器件的源極或漏極的負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)電壓，而柵極驅(qū)動(dòng)器IC仍然只看到單極性電源。單極性和雙極性柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)波形。

一個(gè)具有理想電壓源的原理圖如圖2所示。在這個(gè)示例中，驅(qū)動(dòng)器IC的供電電壓等于V1、V2之和，而MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電壓為導(dǎo)通狀態(tài)下的+V1和關(guān)斷狀態(tài)下的–V2（相對(duì)于MOSFET的源極節(jié)點(diǎn)）。請(qǐng)注意，在此示例中，兩個(gè)電壓源都已使用單獨(dú)的電容去耦。柵極驅(qū)動(dòng)器IC的有效去耦是電容的串聯(lián)組合，小于每個(gè)單獨(dú)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(dú)立。

隔離柵極驅(qū)動(dòng)器IC通常帶有欠壓閉鎖 (UVLO)，以防止柵極驅(qū)動(dòng)器的柵極電壓太低時(shí)，功率器件發(fā)生弱驅(qū)動(dòng)。如圖2所示，在驅(qū)動(dòng)單極性柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)，必須注意UVLO的預(yù)期操作，因?yàn)閁VLO通常以柵極驅(qū)動(dòng)器的地為基準(zhǔn)?？紤]V1 = 15 V，V2 = 9 V，且柵極驅(qū)動(dòng)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(guò)4 V，則UVLO不會(huì)觸發(fā)，但在導(dǎo)通期間將在11 V以下驅(qū)動(dòng)IGBT，因此IGBT發(fā)生欠壓驅(qū)動(dòng)。

為了解決這一問(wèn)題，可以通過(guò)使用兩個(gè)隔離電源來(lái)創(chuàng)建兩個(gè)單獨(dú)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?fù)洌瑒t可以使用多個(gè)繞組抽頭，從而可以相對(duì)容易地獲得多個(gè)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(gè)例子是RECOM，其針對(duì)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(duì)于如此大的電壓擺幅，柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dá)30 V。兩款器件在輸出邊都提供了一個(gè)專門的接地引腳，使驅(qū)動(dòng)器的UVLO能夠以正電源軌為基準(zhǔn)。ADuM4135還包括一個(gè)集成的密勒箝位，可進(jìn)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(gè)簡(jiǎn)單方法是使用偏置齊納二極管以生成第二個(gè)電壓源。雖然柵極驅(qū)動(dòng)器在功率器件的導(dǎo)通和關(guān)斷期間提供高電流，但是實(shí)際需要電源提供的平均電流相對(duì)較低，對(duì)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(fù)電壓，并且可以基于哪個(gè)電壓軌需要更高的精度來(lái)進(jìn)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(fù)電壓。需要正電壓調(diào)節(jié)的一個(gè)可能原因是，柵極驅(qū)動(dòng)器對(duì)柵極電壓有嚴(yán)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(gè)額外的優(yōu)勢(shì)，即允許柵極驅(qū)動(dòng)器的UVLO按預(yù)期工作，因?yàn)閂3的任何波動(dòng)都會(huì)被齊納二極管衰減，直到V3低至無(wú)法提供齊納二極管的工作電壓。

使用齊納二極管由一個(gè)電源生成兩個(gè)電源還具有節(jié)省布局空間的優(yōu)勢(shì)。齊納二極管和電阻不僅有效地取代了整個(gè)隔離電壓源，而且通過(guò)使用單極性隔離柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(gè)半橋。這個(gè)示例的設(shè)計(jì)旨在以器件源極為基準(zhǔn)生成一個(gè)+5 V和–4 V驅(qū)動(dòng)。通過(guò)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(gè)示例改為+6 V和-3 V驅(qū)動(dòng)。較大的死區(qū)時(shí)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(shí)際上，ADuM4121可實(shí)現(xiàn)更短的死區(qū)時(shí)間（幾十納秒范圍內(nèi)）,這是高效GaN設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)。

圖4. ADuM4121和GS66508T的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

創(chuàng)建可以緩解密勒效應(yīng)寄生導(dǎo)通的柵極負(fù)電壓驅(qū)動(dòng)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(dòng)器，借助很少的外部電路就可以輕松驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O負(fù)電壓。確實(shí)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(shì)更大。