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如何高效完成大電流單通道柵極驅(qū)動器電路設(shè)計?

發(fā)布時間:2023-07-21 來源:安森美 責任編輯:wenwei

【導讀】NCD(V)5700x 是大電流單通道柵極驅(qū)動器,內(nèi)置電流隔離功能,用于在高功率應用中實現(xiàn)高系統(tǒng)效率和可靠性。上篇中我們介紹了NCD(V)5700x的輸入(IN)和輸出(OUT)信號、輸入偏置電源(VDD1)、輸出正負偏置電源(VDD2和VEE2)、功耗(PD)和結(jié)溫(TJ)、欠壓閉鎖(UVLO)和就緒(RDY)和去飽和(DESAT)保護和軟關(guān)斷(STO)這六個部分的參數(shù)、功能和設(shè)計技巧。


這篇文章我們將重點關(guān)注NCD(V)5700x的考慮使用外部BJT緩沖器實現(xiàn)軟關(guān)斷(STO)、用于偏置電源的齊納分離式穩(wěn)壓器、柵極驅(qū)動電路中的箝位二極管、布局布線考慮等內(nèi)容。


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外部 BJT 緩沖器可提升驅(qū)動電流,因而廣泛用于驅(qū)動具有較大柵極電荷的較高電流功率半導體器件。為了從緩沖器獲得更高的驅(qū)動電流,BJT 須具有很高的直流增益。此外,通過使用低值基極電阻 (RB) 來為緩沖器提供高基極電流。典型應用電路如圖 28 所示,其中包括內(nèi)部功率開關(guān)和 STO 開關(guān)。雖然較低基極電阻值有助于實現(xiàn)更高的驅(qū)動電流,但它仍必須足夠高,以限制去飽和情況下的基極電流。由于這種折衷,軟關(guān)斷可能無法在短路情況下充分抑制過壓尖峰。圖 29 顯示了正常工作情況下以及 DESAT 激活時軟關(guān)斷情況下的電流路徑。


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圖 28:外部 BJT 緩沖器的典型應用電路


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圖 29:正常工作和 DESAT 激活情況下的灌電流路徑


為了降低基極電流,額外的 RC 網(wǎng)絡(luò)可以在基極電阻和 OUT/L 節(jié)點之間產(chǎn)生電壓。此額外電壓節(jié)點可以降低 DESAT 情況下的基極電流,并防止 PNP BJT (QL) 進入硬飽和狀態(tài),允許其緩慢導通。額外 RC 網(wǎng)絡(luò)的原理圖如圖 30 所示。電壓和電流的近似方程如下所示。


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同時


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考慮 BJT 在有源模式區(qū)域工作。


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圖 30:外部 BJT 緩沖器的典型應用電路


REX 根據(jù)柵極驅(qū)動器 IC 中拉電流/灌電流 MOSFET 的電流應力而得到。它需要折衷考慮電流應力和 Vx(t)。通常,REX 值應小于 RB 或等于RB。CEX 值根據(jù) REX 的功耗而得到,它仍須具有足夠的時間常數(shù)以讓 Vx(t) 緩慢衰減。如果 CEX 較高,軟關(guān)斷 (STO) 將更容易實現(xiàn)。一般而言, REX 將是固定值,而 CEX 可調(diào),以使 IGBT 在短路情況下軟關(guān)斷。


具有額外 RC 網(wǎng)絡(luò)(REX 和 CEX)的外部 BJT 緩沖器的示例電路如圖 31 所示。比較波形如圖 32(無 RC 網(wǎng)絡(luò))和圖 33(有 RC 網(wǎng)絡(luò))所示。這些 RC 波形表明,在 DESAT 情況下,RC 網(wǎng)絡(luò)具有在 IGBT 柵極產(chǎn)生軟關(guān)斷波形的效果。RC 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計應確保正常運行時不會影響驅(qū)動。圖 34 和圖 35 顯示,使用選擇的 REX 和 CEX 值時,RC 網(wǎng)絡(luò)不影響導通上升時間;圖 36 和圖 37 顯示關(guān)斷下降時間的結(jié)果也一樣。


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圖 31:外部 BJT 緩沖器的典型應用電路


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圖 32:DESAT 激活時無 RC 網(wǎng)絡(luò)情況下的輸出和負載電壓波形


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圖 33:DESAT 激活時有 RC 網(wǎng)絡(luò)情況下的輸出和負載電壓波形


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圖 34:導通時無 RC 網(wǎng)絡(luò)情況下的輸出和負載電壓波形


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圖 35:導通時有 RC 網(wǎng)絡(luò)情況下的輸出和負載電壓波形


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圖 36:關(guān)斷時無 RC 網(wǎng)絡(luò)情況下的輸出和負載電壓波形


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圖 37:關(guān)斷時有 RC 網(wǎng)絡(luò)情況下的輸出和負載電壓波形


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作為偏置柵極驅(qū)動器的經(jīng)濟高效方案,齊納分離式穩(wěn)壓器廣泛用于多種應用中,因為它降低了變壓器中的繞組并減少了元件。它可以根據(jù)驅(qū)動器偏置要求(包括負偏置 VEE2)從單極性電壓產(chǎn)生正偏置和負偏置電壓。


圖 38 顯示了使用齊納分離式穩(wěn)壓器的隔離轉(zhuǎn)換器輸出的典型原理圖。


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圖 38:齊納分離式穩(wěn)壓器的典型電路


正偏置為柵極驅(qū)動器的 VDD2 供電,負偏置為 VEE2 供電。VDD2 電壓被齊納二極管的齊納擊穿電壓箝位,VEE2 電壓將是總直流輸出電壓中的剩余電壓。據(jù)此,齊納二極管必須擊穿以在所有負載電流范圍內(nèi)維持VDD2的正電壓,否則正電壓和負電壓無法如預期的那樣維持,而是上下擺動,導致 UVLO 觸發(fā)的風險。等效電路如圖 39 所示。


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圖 39:齊納分離式穩(wěn)壓器的等效電路


NCD(V)5700x 系列在不同輸入信號頻率和負載電容下的正負偏置電源電流(IDD2 和 IEE2)已顯示在圖 7 和圖 8 中。它可以轉(zhuǎn)換為正負偏置的等效負載電阻 RL(VDD2) 和 RL(VEE2)。為了確保齊納二極管擊穿,偏置電阻須滿足下式。


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同時


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確定偏置電阻 RB 后,應關(guān)注最大直流齊納電流 (IZM)。必須考慮齊納二極管和 RB 的功耗限制。應考慮器件容差以充分維持 VDD2 > VZD。齊納二極管的額定功率和偏置電阻可以得知,推薦使用的齊納二極管如表 4 所示。


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表 4:齊納二極管 (ZD)

注意:齊納擊穿電壓是典型值,在室溫下定義。


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由于布局和器件封裝的原因,電源環(huán)路和驅(qū)動環(huán)路中的寄生電感很難避免。驅(qū)動環(huán)路中的峰值驅(qū)動電流越高,或者電源環(huán)路中的功率器件電流越高,di/dt 就會越高。此更高 di/dt 會通過寄生電感 (Lk) 產(chǎn)生更高 dv/dt,并且該快速瞬態(tài)電壓可能高于正偏置 (VDD2) 或低于負偏置 (VEE2),導致高頻循環(huán)電流進入柵極驅(qū)動器。高頻循環(huán)電流路徑如圖 40(正 di/dt)和圖 41(負 di/dt)所示。建議添加箝位二極管,如圖 42 所示。高頻循環(huán)電流可以直接通過偏置電容,而不是進入柵極驅(qū)動器。此外,正箝位二極管 (DC(VDD2)) 可以維持 IGBT 柵極電壓等于偏置電壓,以防止柵極電壓上升以及在短路情況下產(chǎn)生更高的峰值短路電流。


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圖 40:正 di/dt 中的循環(huán)電流路徑


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圖 41:負 di/dt 中的循環(huán)電流路徑


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圖 42:負 di/dt 中的循環(huán)電流路徑


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為了獲得良好的抗擾度并實現(xiàn)穩(wěn)定工作,使用柵極驅(qū)動器的應用必須考慮布局和布線。導通和關(guān)斷的驅(qū)動電流路徑如圖 43 所示。此圖顯示了從柵極驅(qū)動器到功率器件的主要驅(qū)動環(huán)路。驅(qū)動環(huán)路應盡可能小并且阻抗較低,以減小環(huán)路的雜散電感。此高驅(qū)動電流路徑僅經(jīng)由偏置電容和內(nèi)部 MOSFET 到達 IGBT 柵極。偏置電容須盡可能靠近柵極驅(qū)動器的 VDD2 和 VEE2 引腳引線。返回路徑有一個低阻抗走線或平面以連接 IGBT 的發(fā)射極。


考慮到高質(zhì)量去飽和檢測,防止高 dV/dt 和 dI/dt 引起的串擾噪聲在大功率應用中非常重要。去飽和檢測環(huán)路和驅(qū)動環(huán)路應分開,以避免串擾噪聲進入。在圖 44 所示的原理圖中,接地電阻 RGND 將信號偏置電容 C、CVEE2(S) 與驅(qū)動偏置電容 CVDD2(P)、CVEE2(P)分開。對于去飽和保護而言,從 IGBT 集電極到發(fā)射極的該單獨檢測走線具有良好的抗擾度。信號電容 CVDD2(S) 和 CVEE2(S) 的建議值為至少 1.0 μF,驅(qū)動電容 CVDD2(P) 和 CVEE2(P) 的建議值至少為 10 μF,接地電阻 RGND的建議值為 4.7 Ω 以上。推薦布局布線概念如圖 45(無 BJT 緩沖器)和圖 46(有 BJT 緩沖器)所示。


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圖 43:導通和關(guān)斷的驅(qū)動電流路徑


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圖 44:信號和驅(qū)動環(huán)路分離原理圖


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圖 45:布局布線概念(無 BJT 緩沖器)


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圖 46:布局布線概念(有 BJT 緩沖器)


這兩篇應用筆記中中我們介紹了NCD(V)5700x 在系統(tǒng)應用中以下部分的參數(shù)、功能和設(shè)計技巧:


●   輸入偏置電源(VDD1)

●   輸出正負偏置電源(VDD2和VEE2)

●   功耗(PD)和結(jié)溫(TJ)

●   欠壓閉鎖(UVLO)和就緒(RDY)

●   去飽和(DESAT)保護和軟關(guān)斷(STO)

●   考慮使用外部BJT緩沖器實現(xiàn)軟關(guān)斷(STO)

●   用于偏置電源的齊納分離式穩(wěn)壓器

●   柵極驅(qū)動電路中的箝位二極管

●   布局布線考慮



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