驱动电路设计（九）——栅极钳位

现在市场上功率半导体器件IGBT，MOSFET，SiC MOSFET和GaN，大都是电压栅控器件，驱动起来比电流型双极性晶体管BJT容易得多，只需要有限的电荷给栅极电容充电，但问题是很容易受干扰，除了米勒电流造成的误导通以外，由于其它种种原因，栅极电压被抬高后，也会带来短路风险导致损耗增加，甚至影响器件寿命，损坏栅极。

前文《驱动电路设计（八）---米勒钳位杂谈》已经提过，在功率器件开关过程中，由于C-E（D-S）间的dv/dt快速变化，会通过米勒电容产生位移电流，给栅极电容充电。这样可能会抬高功率器件的栅极电压，特别是当关断过电流和短路电流时。

IGBT短路时，其短路电流ISC短路电流是由栅极电压决定的：

因此，将栅极电压限制在某一合理的最大值很重要，这样可以使得短路电流的值不至于过大，不会超出最大的短路能量。图1给出了某种1200V IGBT栅极电压、短路电流和最大短路时间的关系。如果栅极钳位能很好限制短路时最大的栅极电压，那么也就限制了最大的短路电流。

图2a和2b给出两种不同的栅极钳位方法。首先，可以利用一个单向或双向的TVS二极管接在IGBT VT1的栅极和发射极之间。当栅极电压超过TVS二极管的击穿电压后为低阻抗的通路，实现迅速泄放的目的。考虑误差和温度的影响，即：

另外一种栅极钳位的方法是通过二极管VD₂直接将栅极和驱动电源电压连接，因此栅极电压被限制在电源电压加上二极管正向压降之内。当驱动输出级是轨对轨输出时，钳位到电源是个好办法。当电源电压为+15V时，如果出现短路，栅极电压可以有效地被限制在+16V以内。

在选择TVS管时，要注意击穿电压的最大值和最小值之间通常都会有一个较宽范围，如图3所截取的数据手册所示。除了考虑最大值，还需要考虑温度的影响，一般击穿电压会随温度升高而增大，另外温度升高后会使二极管的额定耗散功率降低，如图4所示。