驅動(dòng)電路設計是功率半導體應用的難點(diǎn),涉及到功率半導體的動(dòng)態(tài)過(guò)程控制及器件的保護,實(shí)踐性很強。為了方便實(shí)現可靠的驅動(dòng)設計,英飛凌的驅動(dòng)集成電路自帶了一些重要的功能,本系列文章以閱讀雜談的方式講解如何正確理解和應用這些功能,也建議讀者收藏和閱讀推薦的資料以作參考。 驅動(dòng)電路有兩類(lèi),隔離型的驅動(dòng)電路和電平移位驅動(dòng)電路,他們對電源的要求不一樣,隔離型的驅動(dòng)電路需要隔離電源,驅動(dòng)集成電路一般都支持正負電源,而電平移位驅動(dòng)電路一般采用自舉電源,一般是單極性正電源。 ![]() 圖1:1ED332xMC12N系列電隔離單通道驅動(dòng)IC的輸出側框圖 注:典型型號1ED3323MC12N 8.5A,5.7kV(rms)單通道隔離柵極驅動(dòng)器,具有短路保護、有源米勒鉗位和軟關(guān)斷功能,通過(guò)UL 1577和VDE 0884-11認證 從1ED332xMC12N框圖可以看出,其有VCC2正電源端,VEE2負電源端和接地端GND2。 正電源 對于IGBT、MOSFET和SiC MOSFET正電源的電壓值有明確的建議值,它決定了驅動(dòng)脈沖的幅值,IGBT一般為+15V,Si MOSFET為10V,而SiC MOSFET為15V~18V。 正電源與飽和壓降 不同的驅動(dòng)脈沖的幅值決定了器件的飽和壓降即靜態(tài)損耗,以IKW40N120T2 40A 1200V IGBT為例,當驅動(dòng)脈沖幅值為VGE=15V,50A時(shí)的飽和壓降在2.7V,如果降低到VGE=11V時(shí),飽和壓降上升到3.5V,如果再降柵壓,IGBT就將退出飽和,靜態(tài)損耗急劇增加,這就是為什么驅動(dòng)器會(huì )帶UVLO功能。反過(guò)來(lái),如果驅動(dòng)電壓提高,VGE=17V,飽和壓降降到2.5V,可以有效降低導通損耗。 ![]() 圖:摘自IKW40N120T2 40A 1200V IGBT數據手冊 正電源與短路電流 IGBT短路承受能力是與驅動(dòng)正電壓有關(guān),驅動(dòng)電壓VGE高,短路電流大,短路承受時(shí)間短,反過(guò)來(lái)驅動(dòng)電壓低短路電流小,短路承受時(shí)間長(cháng),見(jiàn)下表。當驅動(dòng)電壓上升到18V,短路電流會(huì )增加45%。而短路承受時(shí)間從10us,降到了6us,而靜態(tài)損耗降低了10%。 對于采用無(wú)磁芯變壓器的驅動(dòng)IC,可以2us內關(guān)斷IGBT短路電流,但是過(guò)快的短路響應在高噪聲環(huán)境中非常容易誤觸發(fā)。另外,適當提高驅動(dòng)電壓有時(shí)是可行的,但要注意到,短路發(fā)生時(shí),由于米勒電容,柵極電壓被抬高,這時(shí)就很危險。 ![]() 圖:摘自IKW40N120T2 40A 1200V IGBT數據手冊 負電源 負電壓可以提高功率器件的抗干擾能力,也可以加快關(guān)斷速度,負電壓可以在規定范圍內選取,主要考慮抗干擾能力,驅動(dòng)功率(因為驅動(dòng)功率與∆U成正比,PGE=fSW·QG·ΔU,負電壓大,需要驅動(dòng)功率大)和電源拓撲的復雜程度。 寄生導通 負電源電壓不夠會(huì )增加寄生導通的風(fēng)險,包括通過(guò)米勒電容寄生導通和通過(guò)寄生電感寄生導通。 米勒電容的寄生導通 當開(kāi)通半橋中的下橋臂IGBT時(shí),上橋臂的IGBT/二極管兩端的電壓會(huì )發(fā)生dvCE/dt變化。這會(huì )產(chǎn)生米勒電流iCG,從而對上橋臂的IGBT寄生電容CCG充電。電容CCG和CGE形成一個(gè)電容分壓。電流iCG流經(jīng)米勒電容、串聯(lián)電阻、CGE和直流母線(xiàn)。如果柵極電阻上的壓降超過(guò)IGBT的閾值電壓,就會(huì )出現寄生導通。足夠幅值的負電壓可以拉低柵極電壓,很好地避免寄生導通。 ![]() 寄生電感寄生導通 如果開(kāi)關(guān)器件沒(méi)有輔助發(fā)射極,或者是驅動(dòng)環(huán)路寄生電感比較大時(shí),雖然器件本身處于關(guān)斷模式下,但是對管或者其他相功率器件開(kāi)通產(chǎn)生di/dt會(huì )在該器件上產(chǎn)生一個(gè)電壓VσE2:,這樣可能有寄生開(kāi)通風(fēng)險。 ![]() 比如當開(kāi)通IGBT T1時(shí),主電流將從續流二極管D2換向至IGBT1。二極管反向恢復電流減小過(guò)程中產(chǎn)生的diC2/dt會(huì )在LσE2上產(chǎn)生感應電壓,并將T2的內部發(fā)射極電平拉到負值,變相提高了驅動(dòng)電壓。 如果通過(guò)高diC/dt產(chǎn)生的感應電壓高于IGBT的閾值電壓,則會(huì )導致IGBT T2寄生導通。 ![]() 負電源的拓撲 驅動(dòng)的負電壓是針對GND2的,而且對穩壓精度要求不高,往往不需要用變壓器兩個(gè)繞組來(lái)實(shí)現,簡(jiǎn)單的方法通過(guò)電源芯片實(shí)現。 如果要產(chǎn)生+15V,-7.5V的正負電壓,簡(jiǎn)單的方法是通過(guò)倍壓整流實(shí)現,倍壓整流原理和設計請參考評估板EVAL-2EP130R-VD帶雙輸出倍壓整流的2EP130R變壓器驅動(dòng)器評估板的應用手冊,控制芯片全橋變壓器驅動(dòng)器集成電路,需要購買(mǎi)評估板和索取PCB參考文件等請填寫(xiě)表單。 ![]() 如果要靈活設計負電壓值,也可以選擇英飛凌2EP130系列全橋變壓器驅動(dòng)器集成電路,其占空比和開(kāi)關(guān)頻率皆可調整。如果采用下圖這樣的峰值整流電路,可以大大縮減器件數量。并且該芯片會(huì )根據占空比來(lái)進(jìn)行過(guò)流保護,提供電源可靠性。設計可以參考評估板:EVAL-2EP130R-PR,具有雙輸出峰值整流和可定制的輸出電壓,適用于MOSFETS和IGBT。 ![]() 參考資料: 1、英飛凌工業(yè)半導體驅動(dòng)技術(shù)合集 2、《IGBT模塊:技術(shù)、驅動(dòng)和應用》機械工業(yè)出版社 3、新品 | 2EP1xxR - 頻率和占空比可調的驅動(dòng)電源用20V全橋變壓器驅動(dòng)器 4、新品 | 頻率和占空比可調的驅動(dòng)電源用全橋變壓器驅動(dòng)器評估板 5、英飛凌邀您免費試用全橋變壓器驅動(dòng)器評估板! ![]() |