英飛凌 | 驅動電路設計（三）---驅動器的隔離電源雜談
發布時間：2025-5-24 10:27
發布者：唯樣商城
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驅動電路設計是功率半導體應用的難點，涉及到功率半導體的動態過程控制及器件的保護，實踐性很強。為了方便實現可靠的驅動設計，英飛凌的驅動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。 驅動電路有兩類，隔離型的驅動電路和電平移位驅動電路，他們對電源的要求不一樣，隔離型的驅動電路需要隔離電源，驅動集成電路一般都支持正負電源，而電平移位驅動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器，具有短路保護、有源米勒鉗位和軟關斷功能，通過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 不同的驅動脈沖的幅值決定了器件的飽和壓降即靜態損耗，以IKW40N120T2 40A 1200V IGBT為例，當驅動脈沖幅值為VGE=15V，50A時的飽和壓降在2.7V，如果降低到VGE=11V時，飽和壓降上升到3.5V，如果再降柵壓，IGBT就將退出飽和，靜態損耗急劇增加，這就是為什么驅動器會帶UVLO功能。反過來，如果驅動電壓提高，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正電壓有關，驅動電壓VGE高，短路電流大，短路承受時間短，反過來驅動電壓低短路電流小，短路承受時間長，見下表。當驅動電壓上升到18V，短路電流會增加45%。而短路承受時間從10us，降到了6us，而靜態損耗降低了10%。 對于采用無磁芯變壓器的驅動IC，可以2us內關斷IGBT短路電流，但是過快的短路響應在高噪聲環境中非常容易誤觸發。另外，適當提高驅動電壓有時是可行的，但要注意到，短路發生時，由于米勒電容，柵極電壓被抬高，這時就很危險。
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，驅動功率（因為驅動功率與∆U成正比，PGE=fSW·QG·ΔU，負電壓大，需要驅動功率大）和電源拓撲的復雜程度。 寄生導通 負電源電壓不夠會增加寄生導通的風險，包括通過米勒電容寄生導通和通過寄生電感寄生導通。 米勒電容的寄生導通 當開通半橋中的下橋臂IGBT時，上橋臂的IGBT/二極管兩端的電壓會發生dvCE/dt變化。這會產生米勒電流iCG，從而對上橋臂的IGBT寄生電容CCG充電。電容CCG和CGE形成一個電容分壓。電流iCG流經米勒電容、串聯電阻、CGE和直流母線。如果柵極電阻上的壓降超過IGBT的閾值電壓，就會出現寄生導通。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 如果開關器件沒有輔助發射極，或者是驅動環路寄生電感比較大時，雖然器件本身處于關斷模式下，但是對管或者其他相功率器件開通產生di/dt會在該器件上產生一個電壓VσE2：，這樣可能有寄生開通風險。
比如當開通IGBT T1時，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程中產生的diC2/dt會在LσE2上產生感應電壓，并將T2的內部發射極電平拉到負值，變相提高了驅動電壓。 如果通過高diC/dt產生的感應電壓高于IGBT的閾值電壓，則會導致IGBT T2寄生導通。
負電源的拓撲 驅動的負電壓是針對GND2的，而且對穩壓精度要求不高，往往不需要用變壓器兩個繞組來實現，簡單的方法通過電源芯片實現。 如果要產生+15V，-7.5V的正負電壓，簡單的方法是通過倍壓整流實現，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變壓器驅動器評估板的應用手冊，控制芯片全橋變壓器驅動器集成電路，需要購買評估板和索取PCB參考文件等請填寫表單。
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器集成電路，其占空比和開關頻率皆可調整。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。并且該芯片會根據占空比來進行過流保護，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、英飛凌工業半導體驅動技術合集 2、《IGBT模塊：技術、驅動和應用》機械工業出版社 3、新品 | 2EP1xxR - 頻率和占空比可調的驅動電源用20V全橋變壓器驅動器 4、新品 | 頻率和占空比可調的驅動電源用全橋變壓器驅動器評估板 5、英飛凌邀您免費試用全橋變壓器驅動器評估板！
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