是否需要透過特別的閘極驅動器來提供正電壓與負電壓?

答覆: 不必如此,我們可以採用單極式閘極驅動器,即可透過雙極模式加以驅動。

如果需要為特定電源元件配置正負兩種閘極驅動器,電路設計者並不需要尋找特殊閘極驅動器來處理雙極作業,只須利用一個單極閘極驅動器,就能驅動雙極電壓。

若是要驅動中至高功率的MOSFET與IGBT,則會面臨電源元件在開啟電源瞬間因電壓快速變化所產生的米勒(Miller)效應。電流會透過閘極至汲極或是閘極至汲極電容導入電源元件的閘極。倘若注入的電流大到足以讓閘極電壓高過元件的臨界電壓,就會觀察到寄生導通(parasitic turn-on)現象導致效率降低或甚至元件失效。

若是要紓解米勒效應,則可利用電源元件閘極到源極或汲極之間的低阻抗線路,或是將閘極連至源極或汲極的線路驅動至負電壓。抑制米勒效應導通的目的,主要是在出現米勒效應電容導致電流攀升至峰值的時候,讓閘極的電壓維持在臨界值之下。

某些種類的電源元件甚至要求負電壓完全關斷,因此閘極驅動器必須提供負電壓驅動力。許多元件製造商會建議負閘極驅動電壓,其中包括標準矽晶MOSFET、IGBT、碳化矽(SiC)以及氮化鎵(GN)等元件。

有為數眾多的獨立式閘極驅動器能在二次側(驅動電源元件的一側)的單極電源供應器上運行,但鮮少有閘極驅動器元件允許進行明確的雙極電壓驅動。要克服缺乏負閘極驅動元件問題,其中一種方法是將閘極驅動器從電源元件中偏置(offset)出來,從而產生一個相對於電源元件源極或汲極的負閘極驅動力,而閘極驅動器IC只會看到一個單極電源。單極與雙極閘極驅動的波型如圖1所示。

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圖1:(a)單極以及(b)雙極閘極驅動波形

圖2顯示一個理想電壓來源的電路圖。在這個例子中,驅動IC的供電電壓等於V1 加V2的總和,而MOSFET的閘極在導通狀態下會驅動到+V1,而在關斷狀態則會驅動到–V2,正負兩種狀態都是以MOSFET源極節點為基準。注意到在這個例子中,兩個電壓來源都與個別電容解耦合。解耦合的效果反應在與電容串聯的閘極驅動IC,效應的影響幅度會小於個別電容的值。若有需要還在VDD 與接地端之間可額外加入解耦合,但注意必須保持C1 與C2 ,因為這些電容分別在導通與關斷時為閘極電流提供低阻抗的通道。

獨立閘極驅動器IC通常配置欠壓鎖定(UVLO)電路,以避免一旦閘極驅動器被過低的閘極電壓驅動,以致驅動電源元件的力道也隨之過低。圖2顯示驅動一個單極閘極驅動器,這裡必須注意欠壓鎖定的運行,因為欠壓鎖定通常會參照閘極驅動器的接地端。舉例來說,V1 = 15伏(V),V2 = 9V,閘極驅動器的UVLO約為11V,這也是IGBT常見的工作電壓。若V1 降幅超過4V,UVLO就不會觸發,但IGBT在導通狀態會在低於11V下驅動,因此會以偏低的力道驅動IGBT,亦即所謂的欠驅動(underdriving)。

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圖2:雙極電源設定的例子

針對這個目的建構兩個獨立的電壓來源,可利用兩個獨立的電源供應器,但這種方法經常具有成本的問題。若採用返馳式(flyback)拓撲,則可使用多個繞線圈組(winding tap)比較容易得到多個電壓。 另外,獨立電壓來源模組能提供獨立電源,有些製造商會選擇將電壓導通至電源元件電壓。其中一個例子就是RECOM,包括IBGT在內的元件所鎖定的產品線會產生一個獨立的+15V以及–9V的供電軌。

對於如此大的電壓擺幅,閘極驅動器必須能承受比其他元件還要大的範圍。目前有兩款閘極驅動器能在這些電壓下順利運作,例如ADI的ADuM4135與ADuM4136 IGBT閘極驅動器,這兩款支援iCoupler技術的元件的建議電壓範圍能支援到30V,在輸出端都提供專屬的接地針腳,讓驅動器的欠壓鎖定(UVLO)機制能參照正電電源軌進行比對。此外,ADuM4135還提供一個整合式米勒鉗位(Miller Clamp)電路,能進一步協助抑制米勒效應引發導通閘極的電壓瞬變(bump)

要從單一電壓來源產生雙極電源,其中一個簡單方法是使用一個偏壓的齊納(Zener)二極體。儘管閘極驅動器在電源元件導通與關斷時能提供高電流,但實際需要電源供應器提供的平均電流則相對來得較低——大多數應用而言只需要數十毫安培。

齊納二極體除了可用來調節正電壓或負電壓,還能根據哪個電源軌需要較高的精準度進行選擇。圖3的例子中,對正電壓的調節要多過負電壓。調節正電壓的其中一個原因是倘若被驅動的閘極對閘極電壓要求有著較小的容許度,像是某些氮化鎵元件。另外,調節正電電源還有額外的好處,就是讓閘極驅動器的欠壓鎖定符合正常的預期,由於V3 的任何波動都會被齊納二極體所抑制,直到V3 低到無法支持齊納二極體的電壓。

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圖3:齊納二極體的例子

使用齊納二極體方法,從一個電源產生兩個電源,還會得到節省佈線的附帶好處。除了齊納二極體和電阻能有效取代整個獨立電壓來源,藉由運用單極獨立閘極驅動器,即可使用一個六針腳元件,例如支援iCoupler技術的元件ADuM4120——在閘極驅動器IC以及隔離爬電(creepage)區域週圍節省了更多空間。

齊納二極體雙極設定的一個參考例子,搭配使用了ADI的ADuM4121以及GaN Systems的GS66508T建立一個半橋式電源供應器。這個例子的設計目標,是有一個參照元件源極的+5V與–4V的驅動力。這個例子可輕易調整成+6V與–3V 驅動力,只須換成不同的齊納二極體,原本的9V獨立電源供應器仍繼續延用。這方面會使用較長的盲時(deadtime)來區隔米勒瞬變(Miller bump)與其他關斷瞬態,但在實務上,該元件允許僅數十奈秒的盲時,這對許多高效率氮化鎵設計而言,仍是一項重要的指標。

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圖4:ADuM4121與GS66508T實驗結果

要產生一個負電閘極電壓驅動力以抑制米勒效應的寄生導通,並不需要複雜的方法。許多現有的閘極驅動器都採單極運作模式,只須配合少量的外部電路即可輕易驅動閘極的負電。另外必須考量的因素還包括欠壓鎖定的效應,但總括來說,這種方法的效益確實可觀。