在设计 IGBT 或SiC FET 桥式电路时，正确设计栅极驱动电路至少与晶体管选择一样重要，以确保高可靠性
　　对环境的关注是可再生能源、智能工业和电动汽车等趋势背后的主要推动力。这些趋势反过来又推动了对高效电力转换器和电机驱动器的更大需求。这些系统必须极其可靠，并且通常需要运行长达 10 年或更长时间。
　　为了确保高可靠性，设计人员在为电路（例如逆变器或电机驱动器的 H 桥）选择功率晶体管时会非常谨慎。但是，为了获得效果，他们应该同样注意设计和布置晶体管栅极驱动电路，以防止晶体管的误触发，这可能会导致击穿电流。这些短路电流会缩短晶体管的寿命，或者在坏的情况下导致晶体管立即损坏。其他不良结果可能包括电磁干扰，这可能会使设备无法满足 EMC 规定。
　　误触发可能是由于对晶体管寄生电容和电感中流动的电流管理不善造成的，如图 1 所示。

　　寄生效应和相关电流可能会破坏栅极电压的控制

　　图 1：寄生效应和相关电流可能会破坏栅极电压的控制
　　寄生电容和误触发
　　考虑 Creverse 和 Cinput 之间的充电电流流动。如果晶体管关闭时集电极-发射极电压上升，则电流按照以下公式流入 Creverse：
　　`I_("Creverse")=C_("Reverse")*((dV_(CE))/(dt))`
　　参考图1：
　　`I_("Cinput")=I_("Creverse")-I_("Driver")`
　　因此，充电电流流入 Cinput，可将寄生电容充电至高于栅极-发射极阈值电压的电压，从而使晶体管导通。Idriver 取决于栅极电阻，动态操作中取决于电感 Lgate。后者取决于电路布局和所用的封装。
　　设计人员可以调整各个方面，尽量减少因米勒电容流出的充电电流而导致误触发的可能性。一种解决方案可能是限制 dVCE/dt，以使开关斜坡和 IC反向曲线变平。这种方法的一个缺点是会增加开关损耗。或者，优化电路以减少寄生电感 Lgate 可以有效降低栅极电压的上升。然而，更可预测的解决方案是施加负栅极发射极电压，以将安全裕度扩大到阈值电压。
　　寄生电感的影响
　　寄生电感（例如 Lgate 和 L emitter ）也会导致误触发。接通时，负载电流会流过晶体管，因此也会流过 L emitter。如果负载电流突然关闭，则 Lemitter 会根据以下公式产生负电压：
　　`-V=L_(“发射器”)*((dI)/(dt))`
　　这往往会使发射极电压低于 GND。当驱动器将栅极电压发送到 GND 时，栅极-发射极电压变为正值，从而可以打开晶体管。
　　在桥式电路中，所有低侧晶体管发射极都连接到电源地，每个晶体管的有效 L发射极都会受到其他晶体管的电感及其接地连接的影响。很难实现完美的对称性。因此，一些晶体管更容易受到误触发的影响，并且在所有工作条件下都无法保证可预测的性能。
　　应始终通过尽可能缩短导体和走线长度来化电路电感。但是，通过为每个晶体管使用隔离栅极驱动器，驱动器接地可以直接连接到晶体管发射极，从而消除布局电感的影响。通过使用提供与发射极的开尔文连接的晶体管，可以进一步改善这种情况。将驱动器接地连接到此开尔文连接可有效防止 L发射极影响导通行为。
　　此外，使用可以施加负栅极-发射极电压的栅极驱动器（即，不仅仅是将栅极保持在地电位）来保持晶体管关闭，可以增加栅极-发射极电压和晶体管阈值电压之间的安全裕度。这可以非常有效地防止误触发。
　　设计驱动电路
　　上一节已经表明，驱动电路的性能对晶体管抵抗误触发的能力有很大影响。
　　在使用 IGBT 进行设计时，晶体管数据表中指定的典型栅极阈值电压往往在 +3V 和 +6V 之间。随着结温升高，这些电压可能会降至 1 到 2V。通常认为 +15V 的栅极发射极电压是开启电压，以确保在常见操作条件下快速切换。如上所述，可以使用负栅极电压关闭 IGBT。实践证明，-9V 电压是安全有效的。现在，具有 +15V 和 -9V 非对称电压的双隔离 DC/DC 转换器通常用作 IGBT 驱动器。
　　驱动 SiC FET
　　在需要高能效、小尺寸和低重量的应用中，例如高端工业设备、逆变器或电动汽车，碳化硅(SiC) MOSFET 正变得越来越受欢迎。SiC FET 的理想开启和关闭电压与 IGBT 的推荐电压不同。
　　SiC FET 的阈值电压明显低于 IGBT。此外，给定 SiC FET 的电压会随着温度升高而降低。从逻辑上讲，这表明需要更大的栅极负偏移电压来关闭器件并防止误触发。阈值电压会在其使用寿命内降低。如果电路以 -5V 的栅极-源极电压运行，则在 1000 小时的使用寿命内，该降低通常在 0.2V-0.3V 之间。在此之后，阈值电压保持稳定。
　　如果栅极-源极电压为 -10V，变化大约是原来的五倍，晶体管之间的差异也很大。研究发现，这些差异非常大，以至于一些器件在 0V 时就已经“正常开启”。因此，为了确保设备在整个使用寿命期间的性能一致，设计人员在使用 SiC FET 时不应施加低于 -5V 的栅极失调电压值。
　　另一方面，+15V 的正电压（如 IGBT 所用）在理论上是可行的。由于阈值电压远低于 IGBT，+15V 应能确保 SiC FET 中的可靠开关行为。然而，不同栅源电压下的输出特性表明，更高的电压将实现更低的导通电阻 RDS(ON)。+20V 的栅源电压可充分发挥 SiC FET 的优势。因此，以 +20V/-5V 运行的 DC/DC 转换器是为驱动器供电的不错选择。
　　此外，所选的 DC/DC 转换器还必须提供高隔离度。IGBT 的典型开关频率在 10kHz-50kHz 范围内，而 SiC FET 的典型开关频率在 50kHz 以上，这会导致陡峭的斜坡，使转换器的绝缘屏障承受反复的大应力。尺寸过紧的绝缘会降低系统的长期可靠性。

　　专门为功率晶体管栅极驱动器供电而设计的转换器，例如用于 IGBT 应用的 RECOM RKZ1509，或用于 SiC-FET 应用的 RKZ2005 或 RxxP22005，可提供不对称电压输出和高隔离，RxxP22005 的额定隔离电压高达 4kV 或 5.2kV。图 x 和 x 显示了如何使用这些转换器来控制 IGBT 或 SiC-FET 栅极驱动器。

　　
　　图 2：由双非对称隔离 DC/DC 转换器供电的 IGBT 栅极驱动器

　　图 3：由双非对称隔离 DC/DC 转换器供电的 SiC-FET 栅极驱动器
　　结论
　　在需要坚固可靠的功率晶体管桥的系统中，正确设计晶体管栅极驱动器电路至少与选择功率晶体管本身一样重要。众所周知，非对称开启/关闭电压和负偏移关闭是有效的，应与布局实践结合使用：保持连接短以限度地减少电感，理想情况下（在设计 IGBT 桥时）通过开尔文连接将驱动器接地直接连接到晶体管发射极。
　　驱动器电路必须隔离，以便驱动器接地能够直接连接到晶体管。无论是在驱动器中，还是在用于为驱动器供电的双非对称 DC/DC 转换器中，强大的隔离对于确保长期可靠性都至关重要。
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