【腾恩科技】由于米勒电容器的影响以缓解寄生刺激的方法

2018-08-13 10:11:34 发表

【腾恩科技】

介绍

   开关IGBT常见的问题之一是由于米勒电容器引起的寄生通电,这种影响在单电源门驱动程序(0+15V)中很明显。由于这种栅极集电极耦合,在IGBT关闭过程中产生的高dV/ dt瞬变可能会导致寄生开关(栅极电压,VGE),这是潜在的危险(1)

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由于米勒电容器引起的寄生通电

   当在上半桥中打开IGBTS1时,电压变化dVce /dt发生在下半桥S2上。电流通过寄生米勒电容器Ccg (S2)、栅极电阻Rg和内部驱动栅极电阻R驱动器。图1显示了流过电容器的电流。这个电流值可以用下面的公式来近似

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   电流在栅极电阻上产生电压降。如果这个电压超过了IGBT门限电压,就会产生寄生开关。设计者应该意识到IGBT芯片温度上升导致轻微减少门阈值电压,通常在mV /°C的范围。当S2打开时,S1上也可以看到这种寄生开关。


寄生刺激缓解解决方案

   经典解决上述问题有三种:第一是不同栅电阻(2),第二个门之间添加一个电容器和发射器(3)和第三使用一个非门驱动器(4),而第四个简单而有效的解决方案是主动箝位技术(5)

 

分开栅极电阻器的开关和开关(Separate gate resistor for turn-on and turn-off)

   门上电阻器R(gon)IGBT打开时影响电压和电流的变化。增加这个电阻可以减少电压和电流的变化,但是会增加开关损耗。通过减少R(goff),可以防止寄生开关。较小的R(goff)还将减少IGBT关断期间的开关损耗。但是由于杂散电感的存在,在关断过程中会产生较高的过射Vce和振荡。由于上述原因,需要对两个栅极电阻进行一些设计优化(2)

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附加栅发射极电容器以分流米勒电流(Additional gate emitter capacitor to shunt the Miller current)

    栅极与发射极之间附加的电容C(g)会影响IGBT的开关行为。C(g)接收来自米勒电容的额外电荷。由于IGBT的总输入电容是Cg||Ccg,所以达到阈值电压所必需的栅极电荷增加(3)

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由于这个额外的电容器,所需的驱动功率增加和IGBT显示更高的开关损失为相同的Rg


负电源增加阀值电压(Negative Power Supply to Increase Threshold Voltage)

   在额定电流大于100A的应用中,通常使用负栅电压来安全地关闭和阻塞IGBT。由于成本的原因,在低于100AIGBT应用中,通常不使用负栅电压。图3显示了使用负电源电压的典型电路。

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负电源电压的增加增加了设计复杂性和大小。


活性米勒夹具溶液(Active Miller Clamp Solution)

   为了避免Rg优化问题、Cg带来的效率损失和负供电电压的附加成本,另一种防止不必要的IGBT通电的措施是缩短栅极到发射极的路径。这可以通过栅极和发射极之间的附加晶体管实现。这个“开关”在达到一定的Vge后使门发射区短路。通过米勒电容产生的电流被晶体管分流,而不是通过输出驱动引脚V输出,这种技术称为主动米勒钳(5)

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晶体管的加入增加了驱动电路的设计复杂性。

结论

1显示了前面提到的四种技术的比较。

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   近年来,集成的IGBT门机包括主动米勒钳位解决方案、去饱和保护和欠压锁定,即Avago技术的ACPL-331JACPL-332J。这降低了许多电力设计师和工业/消费制造商的设计复杂性和产品尺寸。

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