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
柵極驅動器集成了有源保護功能，有助于減少外部電路，例如有源米勒鉗位。那么，設計人員如何確定設計是否需要米勒鉗位？了解開關應用中寄生效應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。本應用簡報探討了影響米勒鉗位需求的設計因素，在內部和外部實現鉗位的利弊權衡，并提供了一個需要米勒鉗位的示例應用。本應用簡報還為工程師提供了明確的評估標準，供他們決定米勒鉗位是否是設計所必需的。本文面向正在設計高速開關應用的電力電子工程師。了解寄生效應造成的威脅
每個 MOSFET 和 IGBT 都具有寄生電容。使用 TI 的 MOSFET 和 IGBT 柵極驅動器電路基本原理 應用手冊（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，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 的開關速度以及驅動晶體管所需的功率的關鍵參數。CGD 與高 dV/dt 一起將電荷推入柵極，從而導致誤導通。
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，因為電感會隨著導體長度的增加而增加。這些寄生效應相結合，在柵極驅動系統中形成以下諧振電路：
圖 2 柵極驅動諧振電路分量在通電時，開關關斷且 dV/dt 可強制穿過電源開關；由寄生元件的諧振電路驅動。方程式 2 展示了這種關系。
與 CGD（寄生電容）耦合的 dV/dt 會產生米勒電流。運行過程中的升溫會導致電源開關的閾值電壓降低，并且感應米勒電流會與寄生電感相結合，導致電源開關意外充電和導通。在半橋電路中，當一個 MOSFET 關斷而另一個 MOSFET 導通時，MOSFET 的關斷 漏極上的快速 dV/dt 會通過米勒電容產生電流，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，從而導致本應關斷的開關意外導通。這種意外導通可能會導致發生兩個電源開關都導通的擊穿事件。擊穿事件可能導致電路功率級損壞并導致系統完全失效。
在整個設計過程中，考慮電源開關的寄生電容至關重要。根據制造商的數據表，FET 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格。使用推導出這些項的相關公式很重要，可在 MOSFET 和 IGBT 柵極驅動器電路的基本原理 應用手冊中找到相關公式。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
在決定應用是否需要米勒鉗位時，另一個重要的考量因素是設計中使用的是單極電源還是雙極電源。如前所述，在開關關斷事件期間，米勒電流最有可能引起并導致電源開關意外導通。如果設計中采用單極電源，并且柵極驅動器的負電源軌在 0V 時接地，這意味著感應電流只需在 0V 至電源開關閾值電壓范圍內產生電壓尖峰。使用雙極電源可以使柵極驅動器的負電源軌連接到 -8V 的假設電壓。現在，dV/dt 條件需要在 -8V 到電源開關閾值電壓之間引起電壓尖峰。在設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。使用雙極電源需要額外的隔離式偏置功能，這會增加系統成本并且需要額外的 PCB 空間。設計工程師在考慮使用單極電源還是雙極電源時，必須權衡這一點。比較單極與雙極電源的設計后果時，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 關斷環路的電感會影響電壓上升程度，進而導致晶體管意外導通。隨著頻率增加，電感對電流的阻抗較高，從而導致電壓升高。
圖 3 高頻米勒電荷注入對電壓電平的影響米勒鉗位和內部與外部實現的目的
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，但這會導致功率損耗增加并降低系統效率。在設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，無需增加系統中的功率損耗。UCC217xx/-Q1 隔離式柵極驅動器系列提供內部 (CLMPI) 和外部 (CLMPE) 米勒鉗位選項（圖 4 和圖 5）。
圖 4 UCC21710 中的內部有源米勒鉗位
圖 5 UCC21732 中的外部米勒鉗位為了有效地將米勒電流引導至負電源電壓（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。內部米勒鉗位功能減少了外部電路的數量和 PCB 空間，從而降低整體系統成本。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。
驅動并聯 FET 時，CLMPE 是比 CLMPI 更好的選擇，因為布線更長，因此寄生效應更高。CLPME 可以靠近單個柵極放置，從而更大限度地減小負偏置的阻抗。米勒鉗位的外部實現為客戶提供了有關米勒鉗位參數的更多靈活性。主要參數包括鉗位閾值電壓和米勒鉗位下拉驅動強度。鉗位閾值電壓由柵極驅動器規格預先確定。
應用示例
根據相關信息和設計注意事項，可以針對設計需要米勒鉗位的情況形成評估標準。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期的最壞情況 dV/dt 條件。對于本應用示例，考慮在 1ns 內發生 50V 的變化。根據 FET 的數據表，可以根據 CRSS 值后的 VDS 與電容關系曲線來近似計算米勒電容。表中的數據表規格并非始終適用于應用的運行條件。因此，應始終根據 FET 關斷時預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。
根據歐姆定律并使用 5Ω 的柵極電阻值，此示例會在功率 MOSFET 上產生 5V 尖峰。由于 MOSFET 的最大柵極閾值為 4V，因此該值會導致電源開關意外導通，并可能發生擊穿事件，從而導致系統故障。
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。在同一應用示例中，該值會在 MOSFET 的柵極上產生 0.26V 的尖峰，并避免意外導通。
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) 擁有多個具有內部米勒鉗位的隔離式柵極驅動器系列和器件型號，UCC5350MCDR 是高性能柵極驅動器的一個很好的示例。
但是，UCC21732 的型號提供內部和 外部米勒鉗位選項。
| 器件 OPN | CLMPI 或 CLMPE |
|---|---|
| UCC5350MCDR | CLMPI |
| ISO5451DWR | CLMPI |
| UCC21732QDWRQ1 | CLMPE |
| UCC21710DWR | CLMPI |
結語
是否要在設計中采用米勒鉗位取決于系統寄生效應、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 意外導通（這會導致不可預測的行為并損壞器件）。如果設計中涉及快速開關晶體管，需要精確控制電壓變化，則需要使用米勒鉗位來提高系統的穩健性和可靠性。最后，通過仔細分析高頻條件下的電路行為，可以深入了解在設計中添加米勒鉗位的必要性和價值。