ZHCAET7 December 2024 ISO5451 , ISO5452 , ISO5851 , ISO5852S , ISO5852S-EP , UCC21710 , UCC21710-Q1 , UCC21732 , UCC21732-Q1 , UCC21737-Q1 , UCC21739-Q1 , UCC21750 , UCC21750-Q1 , UCC21755-Q1 , UCC21756-Q1 , UCC21759-Q1 , UCC5310 , UCC5350 , UCC5350-Q1
引言
柵極驅(qū)動器集成了有源保護(hù)功能，有助于減少外部電路，例如有源米勒鉗位。那么，設(shè)計人員如何確定設(shè)計是否需要米勒鉗位？了解開關(guān)應(yīng)用中寄生效應(yīng)的來源以及選擇單極或雙極電源可以幫助工程師做出這一決策。本應(yīng)用簡報探討了影響米勒鉗位需求的設(shè)計因素，在內(nèi)部和外部實現(xiàn)鉗位的利弊權(quán)衡，并提供了一個需要米勒鉗位的示例應(yīng)用。本應(yīng)用簡報還為工程師提供了明確的評估標(biāo)準(zhǔn)，供他們決定米勒鉗位是否是設(shè)計所必需的。本文面向正在設(shè)計高速開關(guān)應(yīng)用的電力電子工程師。了解寄生效應(yīng)造成的威脅
每個 MOSFET 和 IGBT 都具有寄生電容。使用 TI 的 MOSFET 和 IGBT 柵極驅(qū)動器電路基本原理 應(yīng)用手冊（圖 1）中的以下模型，工程師可以了解此寄生電容的來源。
圖 1 功率 MOSFET 模塊CGS 和 CGD 與 MOSFET 和 IGBT 的幾何形狀相關(guān)，而 CDS 是寄生體二極管的基極-集電極二極管的電容。由于柵極與源極區(qū)域重疊以及柵極與源極端子之間的固有電容，CGS 為柵極至源極電容。CGD 是柵漏電容，也稱為米勒電容。CISS 是柵源電容和柵漏電容之和，如以下公式所示。
CISS 是用于確定 MOSFET 或 IGBT 的開關(guān)速度以及驅(qū)動晶體管所需的功率的關(guān)鍵參數(shù)。CGD 與高 dV/dt 一起將電荷推入柵極，從而導(dǎo)致誤導(dǎo)通。
PCB 布線是寄生電感的主要來源。PCB 布線越長，寄生電感就越大，因為電感會隨著導(dǎo)體長度的增加而增加。這些寄生效應(yīng)相結(jié)合，在柵極驅(qū)動系統(tǒng)中形成以下諧振電路：
圖 2 柵極驅(qū)動諧振電路分量在通電時，開關(guān)關(guān)斷且 dV/dt 可強(qiáng)制穿過電源開關(guān)；由寄生元件的諧振電路驅(qū)動。方程式 2 展示了這種關(guān)系。
與 CGD（寄生電容）耦合的 dV/dt 會產(chǎn)生米勒電流。運(yùn)行過程中的升溫會導(dǎo)致電源開關(guān)的閾值電壓降低，并且感應(yīng)米勒電流會與寄生電感相結(jié)合，導(dǎo)致電源開關(guān)意外充電和導(dǎo)通。在半橋電路中，當(dāng)一個 MOSFET 關(guān)斷而另一個 MOSFET 導(dǎo)通時，MOSFET 的關(guān)斷 漏極上的快速 dV/dt 會通過米勒電容產(chǎn)生電流，從而為柵極充電。該米勒電流會將柵極電壓升高，接近或高于閾值，從而導(dǎo)致本應(yīng)關(guān)斷的開關(guān)意外導(dǎo)通。這種意外導(dǎo)通可能會導(dǎo)致發(fā)生兩個電源開關(guān)都導(dǎo)通的擊穿事件。擊穿事件可能導(dǎo)致電路功率級損壞并導(dǎo)致系統(tǒng)完全失效。
在整個設(shè)計過程中，考慮電源開關(guān)的寄生電容至關(guān)重要。根據(jù)制造商的數(shù)據(jù)表，F(xiàn)ET 制造商通常不會列出與我們的 CGS 和 CGD 項一致的寄生電容規(guī)格。使用推導(dǎo)出這些項的相關(guān)公式很重要，可在 MOSFET 和 IGBT 柵極驅(qū)動器電路的基本原理 應(yīng)用手冊中找到相關(guān)公式。此外，遵循元件的布局建議并盡可能減少 PCB 布線有助于降低諧振電路的影響。
單極與雙極電源
在決定應(yīng)用是否需要米勒鉗位時，另一個重要的考量因素是設(shè)計中使用的是單極電源還是雙極電源。如前所述，在開關(guān)關(guān)斷事件期間，米勒電流最有可能引起并導(dǎo)致電源開關(guān)意外導(dǎo)通。如果設(shè)計中采用單極電源，并且柵極驅(qū)動器的負(fù)電源軌在 0V 時接地，這意味著感應(yīng)電流只需在 0V 至電源開關(guān)閾值電壓范圍內(nèi)產(chǎn)生電壓尖峰。使用雙極電源可以使柵極驅(qū)動器的負(fù)電源軌連接到 -8V 的假設(shè)電壓。現(xiàn)在，dV/dt 條件需要在 -8V 到電源開關(guān)閾值電壓之間引起電壓尖峰。在設(shè)計中使用雙極電源有助于完全消除對米勒鉗位的需求，同時仍提供擊穿保護(hù)。使用雙極電源需要額外的隔離式偏置功能，這會增加系統(tǒng)成本并且需要額外的 PCB 空間。設(shè)計工程師在考慮使用單極電源還是雙極電源時，必須權(quán)衡這一點(diǎn)。比較單極與雙極電源的設(shè)計后果時，TI 建議為單極電源實施米勒鉗位，以抵消電源開關(guān)意外開啟所需的小電壓尖峰。
米勒電荷注入的高頻特性
由于米勒電荷注入的高頻特性，VGS 關(guān)斷環(huán)路的電感會影響電壓上升程度，進(jìn)而導(dǎo)致晶體管意外導(dǎo)通。隨著頻率增加，電感對電流的阻抗較高，從而導(dǎo)致電壓升高。
圖 3 高頻米勒電荷注入對電壓電平的影響米勒鉗位和內(nèi)部與外部實現(xiàn)的目的
增大柵極電阻是降低或控制 dV/dt 以及限制米勒電流的一種方法，但這會導(dǎo)致功率損耗增加并降低系統(tǒng)效率。在設(shè)計中使用米勒鉗位為米勒電流提供了一條替代的低阻抗路徑，無需增加系統(tǒng)中的功率損耗。UCC217xx/-Q1 隔離式柵極驅(qū)動器系列提供內(nèi)部 (CLMPI) 和外部 (CLMPE) 米勒鉗位選項（圖 4 和圖 5）。
圖 4 UCC21710 中的內(nèi)部有源米勒鉗位
圖 5 UCC21732 中的外部米勒鉗位為了有效地將米勒電流引導(dǎo)至負(fù)電源電壓（表示為 VEE），必須將米勒鉗位連接引腳盡可能靠近電源模塊柵極放置，從而降低柵極和米勒鉗位 FET 之間的布線電感。內(nèi)部米勒鉗位功能減少了外部電路的數(shù)量和 PCB 空間，從而降低整體系統(tǒng)成本。如果無法用短布線將 CLMPI 引腳路由到電源模塊門，則必須使用 CLMPE。
驅(qū)動并聯(lián) FET 時，CLMPE 是比 CLMPI 更好的選擇，因為布線更長，因此寄生效應(yīng)更高。CLPME 可以靠近單個柵極放置，從而更大限度地減小負(fù)偏置的阻抗。米勒鉗位的外部實現(xiàn)為客戶提供了有關(guān)米勒鉗位參數(shù)的更多靈活性。主要參數(shù)包括鉗位閾值電壓和米勒鉗位下拉驅(qū)動強(qiáng)度。鉗位閾值電壓由柵極驅(qū)動器規(guī)格預(yù)先確定。
應(yīng)用示例
根據(jù)相關(guān)信息和設(shè)計注意事項，可以針對設(shè)計需要米勒鉗位的情況形成評估標(biāo)準(zhǔn)。想象一個使用單極電源和具有 4V 最大柵極閾值的 MOSFET 的示例電路。工程師必須分析電路中預(yù)期的最壞情況 dV/dt 條件。對于本應(yīng)用示例，考慮在 1ns 內(nèi)發(fā)生 50V 的變化。根據(jù) FET 的數(shù)據(jù)表，可以根據(jù) CRSS 值后的 VDS 與電容關(guān)系曲線來近似計算米勒電容。表中的數(shù)據(jù)表規(guī)格并非始終適用于應(yīng)用的運(yùn)行條件。因此，應(yīng)始終根據(jù) FET 關(guān)斷時預(yù)期的最壞情況來遵循曲線。本例使用的是 CRSS 20pF。將這些值代入方程式 3，可以得到方程式 4。
根據(jù)歐姆定律并使用 5Ω 的柵極電阻值，此示例會在功率 MOSFET 上產(chǎn)生 5V 尖峰。由于 MOSFET 的最大柵極閾值為 4V，因此該值會導(dǎo)致電源開關(guān)意外導(dǎo)通，并可能發(fā)生擊穿事件，從而導(dǎo)致系統(tǒng)故障。
如前所述，米勒鉗位為米勒電流提供了一條低阻抗路徑。UCC5350MCDR 提供具有 0.26Ω 鉗位電阻的集成式米勒鉗位。在同一應(yīng)用示例中，該值會在 MOSFET 的柵極上產(chǎn)生 0.26V 的尖峰，并避免意外導(dǎo)通。
圖 6 比較了 UCC23514MDWVR VGS 中使用米勒鉗位和不使用米勒鉗位的峰值。使用和不使用米勒鉗位時的峰值 VGS 分別為 3.36V 和 4.5V。使用米勒鉗位可將峰值 VGS 降低 1.14V。
圖 6 UCC23514 米勒鉗位評估具有內(nèi)部和外部米勒鉗位選項的器件
德州儀器 (TI) 擁有多個具有內(nèi)部米勒鉗位的隔離式柵極驅(qū)動器系列和器件型號，UCC5350MCDR 是高性能柵極驅(qū)動器的一個很好的示例。
但是，UCC21732 的型號提供內(nèi)部和 外部米勒鉗位選項。
| 器件 OPN | CLMPI 或 CLMPE |
|---|---|
| UCC5350MCDR | CLMPI |
| ISO5451DWR | CLMPI |
| UCC21732QDWRQ1 | CLMPE |
| UCC21710DWR | CLMPI |
結(jié)語
是否要在設(shè)計中采用米勒鉗位取決于系統(tǒng)寄生效應(yīng)、使用的電源類型以及米勒注入的高頻特性。米勒鉗位必不可少，可避免 FET 意外導(dǎo)通（這會導(dǎo)致不可預(yù)測的行為并損壞器件）。如果設(shè)計中涉及快速開關(guān)晶體管，需要精確控制電壓變化，則需要使用米勒鉗位來提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性和可靠性。最后，通過仔細(xì)分析高頻條件下的電路行為，可以深入了解在設(shè)計中添加米勒鉗位的必要性和價值。