驅動(dòng)電路設計（三）---驅動(dòng)器的隔離電源雜談

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。

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。

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，。

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。

系列文章：

驅動(dòng)電路設計（一）—— 驅動(dòng)器的功能綜述（http://dyxdggzs.com/article/202502/466941.htm）

驅動(dòng)電路設計（二）——驅動(dòng)器的輸入側探究（http://dyxdggzs.com/article/202502/467031.htm）

驅動(dòng)電路設計（四）---驅動(dòng)器的自舉電源綜述（http://dyxdggzs.com/article/202503/467756.htm）

驅動(dòng)電路設計（五）——驅動(dòng)器的自舉電源穩態(tài)設計 (http://dyxdggzs.com/article/202503/468089.htm)

驅動(dòng)電路設計（六）——驅動(dòng)器的自舉電源動(dòng)態(tài)過(guò)程 http://dyxdggzs.com/article/202503/468657.htm

驅動(dòng)電路設計（七）——自舉電源在5kW交錯調制圖騰柱PFC應用 http://dyxdggzs.com/article/202503/468660.htm