电压驱动电路设计与应用

1.MOS型功率器件的栅极特征

功率MOSFET的栅-源极和IGBT的栅-射极之间都是通过栅氧化层隔离。当在栅极上加电压时，理论上没有电流流入栅极，实际上为了维持栅极电压，栅极电流给栅电容充电，故栅极存在一个nA级的漏电流。当功率MOSFET栅-源极之间未加电压时，器件处于阻断状态，仅有一个小于mA级的漏电流流入漏极，直到外加电压超过漏-源击穿电压。当栅极所加的正电压超过阈值电压时，漏极电流开始流动。假设外部电路的阻抗对漏极电流无限制作用，则最大漏极电流取决于栅压的高低。当栅压低于阈值电压时，漏极电流减小到漏电流水平，功率MOSFET将会关断。功率MOSFET和IGBT开关速度本质上由栅源电容的充放电速度来决定。虽然栅源电容是一个很重要的参数，但由于存在密勒效应，使得栅漏电容比栅源电容更重要。在开关期间，动态的栅漏电容比栅源电容更大，密勒电容比栅源电容需要更多的电荷。

2.MOS型功率器件的栅极驱动方法

在功率MOSFET和IGBT实际的开关过程中，由于内部寄生电容充放电，因此需要一定的驱动功率，并且驱动功率与其开关频率有关。另外，换相过程受驱动回路和模块内寄生电感的影响，会产生瞬间过电压，在电路和器件内部的寄生电容之间引起振荡。所以，功率MOSFET和IGBT的开关过程可通过栅电容的充放电来进行有效控制。栅电容的充放电可归纳为电阻控制、电压控制和电流控制三种方法，图9-8给出了IGBT栅极驱动的控制方法^[4]。如图9-8a所示，电阻控制是指用一个栅极驱动电阻来控制栅极电容的充放电（或用两个电阻来分别控制开通和关断）。若栅极电源电压U_GG保持不变，调整栅极电阻R_G便可改变开关速度。R_G越小，开关时间越短。但是电阻控制存在两个缺点：一是栅极电容的偏差会直接影响开关时间和开关损耗；二是栅极电压会形成一个密勒平台。如图9-8b所示，如果将电压直接作用于栅极，则开关速度直接由栅极的du/dt决定，于是栅极电压特性中将不再出现密勒平台。但电压控制要求驱动电路有足够大的电流输出能力。此外，也可采用一个可输出正、反向电流的电流源（见图9-8c）来控制栅极的充放电特性，其效果类似于电阻控制法。

3.MOS型功率器件对驱动电路的要求

功率MOSFET和IGBT栅极驱动电压的设置需要考虑栅极击穿电压和饱和电压。一方面，栅极驱动电压的幅值取决于栅极击穿电压，栅极击穿电压一般被限定为20V，瞬态时也要满足此要求，故在功率MOSFET和IGBT的关断过程中，需要采用特别的保护措施，以防止栅极过电压。另一方面，在功率MOSFET和IGBT导通时，饱和电压随栅极电压的增大而下降（如5.1.2节所述）。在饱和导通的状态下，功率MOSFET的栅极驱动电压U_GS必须达到+10V，IGBT的栅极驱动电压U_GE必须达到+15V。因此，功率MOSFET开通的栅源极间驱动电压一般取10～15V，IGBT开通时栅射极间的驱动电压一般取15～20V。

在关断过程中，IGBT的栅极施加一个-5V～-8V～-15V的负偏压，以便在整个关断期间维持一个足够大的反向栅极电流（包括在U_GE接近U_T时）。利用关断过程中高的du_CE/dt值来抽取n^-漂移区的空穴，从而缩短拖尾时间，以减小关断损耗。在栅极串入一只低值电阻（数十欧左右）可以减小寄生振荡，且阻值应随被驱动器件额定电流值的增大而减小。

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图9-8 IGBT栅极驱动的三种控制方法

4.驱动电路

功率MOSFET的驱动电路如图9-9a所示，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。当无输入信号时，高速放大器A输出负电平，V₃导通输出负驱动电压，当有输入信号时，A输出正电平，V₂导通输出正驱动电压。

图9-9 功率MOSFET和IGBT驱动电路

由于n沟道增强型功率MOSFET和IGBT具有较低的阈值电压，很容易用逻辑电平集成电路来驱动，允许采用小功率数字逻辑电路来直接控制大功率。所以，IGBT多采用专用混合集成驱动器，常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）。图9-9b所示为M57962L型IGBT驱动器电路^[5]。