驅動(dòng)電路設計（七）——自舉電源在5kW交錯調制圖騰柱PFC應用

隨著(zhù)功率半導體IGBT，SiC MOSFET技術(shù)的發(fā)展和系統設計的優(yōu)化，電平位移驅動(dòng)電路應用場(chǎng)景越來(lái)越廣，電壓從600V拓展到了1200V。英飛凌1200V電平位移型頸驅動(dòng)芯片電流可達+/-2.3A，可驅動(dòng)中功率IGBT，包括Easy系列模塊。目標10kW+應用，如商用HVAC、熱泵、伺服驅動(dòng)器、工業(yè)變頻器、泵和風(fēng)機。本文就來(lái)介紹一個(gè)設計案例，采用電平位移驅動(dòng)器碳化硅SiC MOSFET 5kW交錯調制圖騰柱PFC評估板。

從設計上看，這是一個(gè)很好的工業(yè)應用案例，涉及自舉電路用在中功率驅動(dòng)和工頻50Hz的驅動(dòng)中的應用。

評估板的型號為EVAL-1EDSIC-PFC-5KW，是采用交錯圖騰柱實(shí)現PFC的完整方案，三個(gè)半橋橋臂結構，見(jiàn)下圖，兩個(gè)高頻橋臂的功率開(kāi)關(guān)采用650V 22mΩ的碳化硅MOSFET IMBG65R022M1H，一個(gè)低頻橋臂采用10 mΩ600V的CoolMOS? S7 IPQC60R010S7。

CoolMOS? S7是高壓SJ MOSFET，其針對RDS(on)優(yōu)化，用于低頻開(kāi)關(guān)。非常適合固態(tài)斷路器和繼電器、PLC、電池保護以及大功率電源中的有源橋式整流。

Si和SIC MOSFET驅動(dòng)都采用基于SOI技術(shù)電平位移驅動(dòng)芯片。

其中SiC MOSFET的驅動(dòng)采用電平位移驅動(dòng)芯片1ED21271S65F，它是4A 650V的大電流高壓側柵極驅動(dòng)器，帶過(guò)電流保護(OCP)、多功能RCIN/故障/使能(RFE)和集成自舉二極管(BSD)，DSO-8封裝。

CoolMOS? S7的驅動(dòng)采用基于SOI技術(shù)電平位移驅動(dòng)芯片2ED2182S06F，它是2.5A 650V高速大電流半橋柵極驅動(dòng)器IC，集成自舉二極管，DSO-8封裝。

5kW交錯調制圖騰柱PFC的設計，在230VAC半負載條件下，實(shí)現效率為98.7%，尺寸為218mm x 170mm x 60mm，即功率密度達到36W/in3。

所用器件：

■ EiceDRIVER? 1ED21271S65F驅動(dòng)CoolSiC? MOSFET

■ CoolSiC? MOSFET IMBG65R022M1H

■ EiceDRIVER? 2ED2182S06F驅動(dòng)CoolMOS?

■ CoolMOS? S7 SJ MOSFET 600V IPQC60R010S7

■ 控制器MCU: XMC? 4200 Arm? Cortex?-M4

■ 輔助電源：ICE2QR2280G

SIC MOSFET驅動(dòng)

1ED21271S65F是2025年3月推出的最新產(chǎn)品，電壓為650V、輸出能力+/-4A的高邊柵極驅動(dòng)器，與其他產(chǎn)品相比，提供了一種更穩健、更具性?xún)r(jià)比的解決方案。

設計采用英飛凌的絕緣體上硅（SOI）技術(shù)，1ED21x7x系列具有出色的可靠性和抗噪能力，能夠在負瞬態(tài)電壓高達-100V時(shí)芯片不壞。

可用于高壓側或低壓側高壓、大電流、高速功率管驅動(dòng)，即驅動(dòng)Si/SiC功率MOSFET和IGBT，擊穿電壓高達650V，輸出電流為+/-4A，傳播延遲小于 100ns。

1ED21x7x系列非常適合驅動(dòng)多個(gè)開(kāi)關(guān)并聯(lián)應用，例如輕型電動(dòng)汽車(chē)中，基于1ED21x7x大電流柵極驅動(dòng)器的設計，可在一個(gè)三相系統中節省多個(gè) NPN/PNP管和外部自舉二極管。

在圖騰柱PFC設計中，電感器過(guò)流保護是個(gè)設計難點(diǎn)，1ED21x7x提供簡(jiǎn)單、易于設計的電感器過(guò)流保護。

1ED21x7x的CS管腳功能強大，可以實(shí)現過(guò)流保護和短路I和短路II的保護。

短路I：指發(fā)生在功率開(kāi)關(guān)開(kāi)通之前，已經(jīng)處于短路狀態(tài)。

短路II：短路發(fā)生在功率開(kāi)關(guān)導通狀態(tài)，這是更難保護的。

過(guò)流保護：1ED21x7x系列有兩個(gè)CS保護閾值可以選，0.25V和1.8V。0.25V設置通常與分流電阻一起使用，以實(shí)現過(guò)流檢測，低壓選項，可以盡量減少分流電阻上的壓降造成的損耗。對于褪飽和檢測，要選用1.8V，因為它具有更好的抗噪能力。

由于1ED21x7x系列集成了自舉二極管，外圍電路就顯得更簡(jiǎn)單，下圖的實(shí)際電路外接了一個(gè)600V高速二極管Db和一個(gè)5.1Ω電阻，自舉電容為1uf。這是為什么呢？

在《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  》中強調了自舉電路會(huì )有電壓損失，造成上管驅動(dòng)電壓低于下管電壓，而SiC的RDS(ON)會(huì )隨著(zhù)驅動(dòng)電壓降低而明顯增大，這是要在設計中避免的。

自舉電壓的損失主要貢獻是自舉電路中的自舉電路中的阻抗，VRboot由下面公式?jīng)Q定，選擇更小的外接電阻能降低自舉電壓的損失，外接5.1歐姆相比驅動(dòng)內置的等效電阻35歐姆來(lái)說(shuō)小得多，零點(diǎn)幾伏的改善對SiC MOSFET的靜態(tài)損耗降低是非常有價(jià)值的。

注：IMBG65R022M1H的QG=67nC

1ED21x7x中的自舉電路參數

CoolMOS?驅動(dòng)

EiceDRIVER? 2ED2182S06F驅動(dòng)CoolMOS? S7 SJ MOSFET 600V IPQC60R010S7時(shí)，就直接采用集成自舉二極管，自舉電容為33uf+100nf。

2ED2182S06F的靜態(tài)電流

由于低頻橋臂工作在工頻50Hz，按照《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  》中的設計公式，進(jìn)行計算。由于頻率只有50Hz，驅動(dòng)器的靜態(tài)電流被放大了。它的效應要比IPQC60R010S7的QG大一個(gè)量級，所以算出來(lái)的電容值就比較大，取33uf。

■ QG為功率開(kāi)關(guān)的柵極電荷 318nC (IPQC60R010S7)

■ Iq為相關(guān)驅動(dòng)器的靜態(tài)電流170uA（數據表中Quiescent VBS supply current）

■ Ileak為自舉電容的漏電流(只與電解電容有關(guān)，忽略)

■ fSW為功率管的開(kāi)關(guān)頻率50Hz

■ UCC為驅動(dòng)電源電壓

■ UF為自舉二極管的正向電壓

■ UCEsat為下橋臂功率管的電壓降

■ S為余量系數

通過(guò)以上內容，可以看到不能抄作業(yè)的自舉電路設計的兩個(gè)案例，結合之前系列文章中的知識點(diǎn)，讀者可以做驗證性的設計。

英飛凌新開(kāi)發(fā)了一些功能強大的電平位移驅動(dòng)電路，把應用場(chǎng)景拓展了，在合理的系統絕緣分配后，可以更積極采用電平位移驅動(dòng)電路、自舉電路來(lái)優(yōu)化系統設計，降低系統成本。

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（三）---驅動(dòng)器的隔離電源雜談 http://dyxdggzs.com/article/202503/467754.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