模擬集成電路讀書筆記-為寬禁帶功率器件柵驅動提出的電壓控制功率電阻電路

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「A Voltage Controlled Power Resistor Circuit for Active Gate Driving of Wide-bandgap Power Devices」

Alessandro Soldati, Davide Barater and Carlo Concari DII, University of Parma, Italy

Michael Galea, Chris Gerada PEMC Group, The University of Nottingham, UK

IECON2015-Yokohama November 9-12, 2015

引言：寬禁帶器件由於其良好的能效以及溫度特性受到科學研究的重視，而這種器件相比傳統的硅器件而言，對開關速度以及強電流脈衝具有更高的要求。本文提出一種受電壓控制的電阻電路，電路的輸出用於驅動寬禁帶器件。

接下來我們先看在傳統硅器件所用的橋型驅動電路概念圖（Fig.1）

電路比較簡單清晰，共模信號直接從系統控制輸出到柵極（或者基極）驅動功率開關。

而在有類似SiC（碳化硅） GaN（氮化鎵）器件的電路中，柵驅動的關鍵點為達到一個穩定點，故需要使用專用電路去達成。

如上圖Fig.2所示，其柵驅動比Fig1複雜得多。這是為了去控制功率開關的一些參數：比如電壓、電流對時間的導數（其與電磁干擾、器件損耗相關）、等效導通阻抗（決定傳輸損耗）。這些電路設計希望可以通過閉環反饋來調節上述的參數。

一般來說柵控制輸出信號有三種：

（1）電壓 （2）電流 （3）阻抗值

本文提出的電路是以一種受雙邊電壓控制的功率電阻來表徵輸出信號，並具有中等的功率輸出能力。傳統的受電壓控制的電阻電路會受到輸出功率能力不足、額定電壓較低等限制。為了突破這些限制，改進電路擴展了電流產生器（current generator）控制運算放大器的功能，其中包含了一個可以調節絕緣功率器件所需的驅動電流大小的輸出功率晶體管。

上述電路的改進是通過把電路設計成雙邊電流架構，使用電控開關片選半邊電路；以及使用JFET作為受控電阻改變反饋分壓器上的電壓。

接下來講述一下電壓控制功率電阻電路基本思路

如上圖Fig.3所示，漏電流Id受控於分流電阻Rs,其壓降與參考電壓相關。通過負反饋的連接方式確保負載條件改變的情況下補償Rs上的電壓變化。Rg是用於提高電路穩定性。

在理想的條件下，顯然運算放大器進入虛短虛斷狀態。故有：

而產生電流為：

調節輸入電壓或分流電阻即可控制運輸電流。

在圖Fig.3中為一個灌電流產生器（sinks current），而把輸出器件換成一個p溝道器件時，可以成為一個拉電流產生器（source current），把兩種電路結合併使用開關進行片選，可以為負載提供兩種方向的電流。用JEFT實施小信號電壓控制Ri的指針可以達到電控制傳輸電流的效果。

簡要介紹一下JEFT（junction field effect transistors):JEFT是一種與MOSFET十分接近的器件，該器件源漏間的電流都取決於柵源之間的壓差。JEFT在三極體區漏極電流與源漏壓差具有高度的線性關係。MOSFET與JEFT間的差別主要在於MOSFET的跨導遠大於JEFT，文中所列的例子表明約有150倍的差距。

改進電路設計：

上圖中，綠色線框內為功率電流產生器，橙色線框內的為分壓器，藍色線框內的JFET充當受電壓控制的電阻。

這是一個可以由電壓控制信號改變輸出阻抗的雙邊電壓產生器。相較於傳統的由運放控制的電流產生器其主要的優點在於有互補的輸出，開關能力，以及由JFET控制的反饋調製比。

電路的互補性是由兩個鏡像電路獲得的，每邊電路有其自身的參考電壓，通過MOSFET M1h M1l去片選電路處於拉狀態或灌狀態（即兩種不同的電流流向）。

先給出一個結論是，在漏端看到的等效阻抗為分流電阻乘於分壓率， 後面將會給出分析。

基於JFET的易受電壓控制電阻性，而這種電阻性還具有線性。當控制信號比較小，不足以驅動功率器件時，可以利用JFET設計一種閉環的運放來滿足驅動要求。

對分壓器參數進行精確地選擇將會使在【輸出阻抗、高線性度、在運放輸入端的低電壓】的誤差很小，特別是最後一點十分重要，高速放大器要求輸入電壓為低電壓，會讓高速運放不能適用於需要高電壓擺幅驅動的功率柵。

這種電路的主要缺點在於其複雜的偏置以及能量供給（電源供給）。

接下來我們只需要分析半邊電路即可了解整個電路的特性，我們選擇下半部分來分析。

圖中有詳細數學分析，主要的思路是把JFET與其並聯的電阻看成一個受電壓變化控制的等效電阻，其與R2L分Vg的壓，同時運放把漏極的電壓按分壓讀到源端（亦即為Rs上的壓降），最後通過數學分析以及一定的簡化得到從漏端看到地的等效阻抗為分流電阻Rs乘於分壓率。

若上述的數學簡化成立，即可以認為從漏端看到地的電導與等效電阻成線性關係，而等效的電阻可以由JFET控制。

導通M1L將會使運放的輸入端進入最低值，使M2L截止，這將會避免兩條功率驅動通路同時開啟。

最後文章還提到了一些器件選擇的問題，對這個電路而言，元器件的選擇與尺寸是至關重要的。在實際應用中，SiC器件開啟關閉時間在數十微秒之內，這意味著所使用的輸出MOSFET的寄生電容必須在一個極低的值，另外還需要考慮到MOSFET的擊穿特性，以防在驅動中擊穿。

JFET在靜態時的偏置並不是一個大問題，但JFET是連在功率驅動電路中的，若功率迴路中電壓必須發生變化，將會影響到JFET的偏置。

在商業應用中，高速運放必須確保工作在閉環運作，同時保證輸入電壓足夠低，所以R1與R2的比值受到了限制。

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