栅极驱动器是一种缓冲电路,用于放大来自微控制器或其他源的低电压或低电流。在栅极驱动器原理及应用分析中,微控制器的输出一般不适合驱动较大功率的晶体管。
GBT/功率MOSFET的结构导致栅极形成非线性电容。对栅极电容器充电会打开功率器件,并允许电流在其漏极和源极引脚之间流动,而放电则会关闭器件,从而阻止漏极和源极引脚上的大量能量。电压。
栅极电容器充电且器件刚刚开启的最小电压是阈值电压(VTH)。为了使用IGBT/功率MOSFET 作为开关,应在栅极和源极/发射极引脚之间施加比VTH 足够大的电压。
考虑一个带有微控制器的数字逻辑系统,该微控制器可以在其I/O 引脚之一上输出0 V 至5 V PWM 信号。该PWM 不足以完全开启电源系统中使用的功率器件,因为它们的过驱动电压通常超过标准CMOS/TTL 逻辑电压。
过去,双极结型晶体管(BJT) 图腾柱用于驱动低侧配置中的电源开关。然而,由于栅极驱动器IC 的诸多优点和附加功能,它们正在逐渐取代这些分立解决方案。具有典型栅极驱动器IC 的典型BJT 图腾柱配置。
分立电路的一个显着缺点是它不提供保护,而栅极驱动器IC 集成的功能对于确保可预测和稳定的栅极驱动非常重要。相比之下,BJT 图腾柱允许MOSFET 产生压降,但漏极电流显着上升。电流上升会导致功耗过大,并可能损坏MOSFET。
上海曙明HVIC栅极驱动器SLM2304S用于驱动高达600V的N沟道MOSFET或IGBT。兼容IR2304(S)系列,广泛应用于BLDC、大功率DC-DC电源、家电、步进驱动器、逆变器等领域。
VS脚负压的原因及对策
VS足产生负压的原因
自举电源是一种广泛使用的为高侧栅极驱动电路供电的方法,用于驱动高侧N沟道MOS或IGBT。自举电源技术具有结构简单、成本低廉的优点,但也存在缺点。一是占空比不能为100%,这受到自举电容刷新电荷所需时间和VBS欠压保护阈值的限制。其次,它会导致开关器件的源极出现负电压,从而可能导致HVIC的输出误差。
自举驱动电路的最大困难在于,当开关器件关断时,其源极的负电压会导致负载电流突然流过续流二极管,如图1所示。这个负电压会在栅极驱动电路的输出,因为它直接影响驱动电路或PWM 控制IC 的源极VS 引脚,可能会显着将一些内部电压拉至地电位以下,如图2 所示。另一个问题是自举电容CBOOT被电源VDD通过自举二极管DBOOT瞬间充电。由于VDD 电源是基于地的,自举电容产生的最大电压等于VDD 加上源极上的负电压幅值,这可能会导致自举电容处于过压状态,损坏电容,甚至导致芯片VB/HO损坏。 VS 损坏和短路风险。因此,设计时应尽量减少VS的负压。
图1 半桥应用电路
图2 关断时VS波形
图3 DC-DC电源
图4 关断时波形
如图3 所示,低侧续流二极管的正向偏置是将VS 拉至COM(地)以下的已知原因之一;图4 描绘了高侧N 沟道MOSFET 关断期间的电压波形。主要问题发生在整流器换向期间,就在续流二极管开始钳位之前。在这种情况下,电感器LS1 和LS2 会将VS 电压推至COM 以下。该负电压的幅度为:
VSCOM=(VRBOOT +VFDBOOT)(LS1+LS2)di/dt
(1)
从式(1)可以看出,这个负电压的放大倍数与开关器件的寄生电感和关断速度di/dt成正比;它由栅极驱动电阻RGATE 和开关器件的输入电容Ciss 决定。 Ciss是Cgs和Cgd之和,称为米勒电容。
如何降低VS负压?
减少布局上的寄生电感LS1/LS2
降低开关器件的开关速度
在开关节点接一个小电阻,比如下图中的RVS电阻(几欧以内),并接自举电容,与自举电容组成RC滤波器,可以限制开关管的下冲电压VS 引脚。但需要注意的是,该电阻位于开关器件导通和关断的路径中。计算栅极电阻时需要考虑该电阻值。
如果VS串联电阻仍不足以限制VS负压,可在SLM2304S芯片靠近VS的COM和VS引脚之间并联一个快恢复二极管,面向VS,钳位VS负压
图5 阻塞条件下的波输入和输出形状
如果VS 下冲超出数据表中规定的范围,栅极驱动器IC 将被损坏或高侧输出将暂时无法响应输入转换,如图5 和图6 所示。建议留有一定的余量在设计中保证了系统的可靠性。图5 显示了闩锁状态,其中输入信号无法更改高侧输出。在这种情况下,半桥拓扑的外部、主电源、高侧和低侧开关会发生短路。图6 显示了遗漏情况,其中高侧输出无法响应输入转换。在这种情况下,高侧栅极驱动器的电平移位器将缺乏工作电压余量。请注意,事实证明,高侧通常不需要在开关动作后立即改变状态。
图6 信号丢失情况下的波形
自举电路设计
选择自举电容值
自举电容(CBOOT)每次都会充电,此时低侧驱动器导通,输出电压略低于栅极驱动器的电源电压(VDD)。自举电容器仅在高侧开关打开时放电。自举电容器为高侧电路提供电源(VBS)。第一个要考虑的参数是高侧开关导通时自举电容器的最大压降。最大允许压降(VBOOT) 取决于要维持的最小栅极驱动电压(对于高侧开关)。如果VGSMIN 是最小栅源电压,则电容器两端的压降必须为:
VBOOT=VDD VF VGSMIN
(2)
其中:
VDD=栅极驱动器电源电压
VF=自举二极管正向压降。自举电容计算如下:
CBOOT=QTOTAL/VBOOT
(3)
其中QTOTAL 是电容器的总电荷。自举电容器上的总电荷通过公式4 计算:
QTOTAL=QGATE+(ILKCAP+ILKGS+IQBS+ILK+ILKDIODE)*tON+QLS
(4)
其中:
QGATE=栅极电荷总量
ILKGS=开关栅极- 源极漏电流
ILKCAP=自举电容漏电流
IQBS=自举电路的静态电流
ILK=自举电路漏电流
QLS=内部电平转换器所需的电荷,适用于所有高压栅极驱动电路
tON=高侧导通时间
ILKDIODED=自举二极管漏电流
另外,一般情况下,自举电容值可以根据经验公式粗略估计:
CBOOT10*西斯
选择自举电阻值
自举电阻限制自举电容的充电电流,防止电容过充。特别是在一些VS负电压较大的情况下,可以降低VS-VB和电容器过压的风险。该电阻的典型值为5~10ohm,这会增加VBS时间常数。在计算最大允许电压降(VBOOT) 时,必须考虑该自举电阻引入的电压降。如果这个压降太大或者电路不能提供足够的充电时间,我们可以使用快恢复或超快恢复二极管。
自举二极管选择
当高边器件导通时,自举二极管必须能够阻挡高电压,并且应该是快恢复或超快恢复二极管,以减少自举电容到电源VCC的反馈电荷。如果电容器需要长时间储存电荷,高温反向漏电流指标也很重要。一般建议自举二极管的反向耐压值与所选MOS/IGBT的电压规格一致,trr100ns。
电源电压
VDD电压一般在12~15V左右,输入电容应靠近芯片的VDD和COM引脚。一般输入电容配置为电解(10~100uF)+100nF陶瓷电容。电解电容器提供能量,100nF 陶瓷滤波器吸收可能的电压尖峰。
逻辑输入
一般情况下,逻辑输入引脚可以直接连接到前端控制器的输出。但如果空间允许,或者应用环境干扰较大,逻辑输入高电平比较低(如3.3V),仍然建议在逻辑输入前加RC滤波器,控制器之间串电阻输出和逻辑输入,逻辑输入引脚接一个电容到地,如100R、100pF。
另外,需要注意的是,在某些MCU或软件中,如果输入控制器只输出高电平和高阻状态,低电平需要通过HIN/LIN内部的下拉电阻来实现,建议HIN/LIN 预留下拉电阻。的位置。由于SLM2304S HIN/LIN内部下拉电阻约为500K欧姆,在一些噪声干扰比较大的应用中,HIN/LIN可能会被误触发为高电平。这种情况下,外接一个10K以内的下拉电阻就可以解决问题。
门级电阻值的选择
栅极驱动路径上的栅极电阻将影响实际驱动电流、开关损耗和上升/下降沿。适当的电阻值可以有效限制噪声和振铃,并避免EMI问题。理论上,驱动输出可以直接连接到开关器件的栅极。但如果没有选择合适的栅极电阻值,由于布局以及器件本身的寄生电感和电容的影响,高速dv/dt、di/dt、体二极管的反向恢复时间等因素将导致导致驱动电路面临EMI以及高dv/dt带来的常见问题。
图7
图8
图7和图8分别是驱动电路元件原理图和等效电路图。门级电阻值RGATE可以通过以下步骤计算:
LS=1/[CISS*(2pifR)2]
(6)
RG=XL/Q=w*LS/Q=1/(CISS*2*pi*fR*Q)
(7)
LS为栅极驱动电路上的寄生电感Ciss=CGS+CGD。规范可以在规范中找到。 fR 是RGATE=0 时测得的VS 振铃频率。如下图9所示,测得fR为3.75MHz RG=RGATE+ROH或LO+RG,I,ROH或LO为HVIC输出级的上拉/下拉电阻值。您可以在规范中检查它。 RG,I 是开关器件中的寄生栅极网状电阻。一般在1欧姆左右,也可以更小。请忽略,有些规范中没有提及此参数。 Q为谐振电路中的Q值,一般取值范围为0.51。Q越小,RGATE越大,栅极电压上升/下降越慢。根据公式7,可以计算出理论RGATE,但在一般实际情况下,在确定合适的门级电阻值之前,需要权衡开关速度、开关器件温度、dv/dt、EMI等因素。
图9 RGATE=0R
快速闭合电路
如下图所示,如果想快速关断以提高效率,或者担心关断太慢而造成常见问题,可以在输出门级加一个开关二极管+一个电阻电阻以提高关断速度。此时的关断速度为: 二极管的反向恢复时间确定,关断速度也可以通过Rg(off)来调节。
Rgs 和Cgs 的作用
Rgs一般选择10K的电阻值,作为电荷放电通路,防止开关器件GS不工作时电荷积累,造成VGS过压,损坏器件。 Cgs一般可以保留为非必需设备。主要用于降低Cgd/Cgs比值,防止开关过程中出现米勒效应,导致栅极被Cgd耦合。半桥开关器件很常见,可以钳位栅极电压。如果需要电容,典型值一般为1~2.2nF。注意,过大时,开关器件开通缓慢,开关损耗较大,器件温度升高。
PCB 布局建议
考虑所有电源开关的协调放置,减少驱动输出线和开关器件电流路径,走线长度,CVDD/CBOOT去耦电容和栅极电阻的布局和布线,应尽可能靠近驱动芯片引脚,避免互连链路。它将显着增加电阻。降低封装距PCB 板的高度,以减少引脚电感效应。自举二极管应尽可能靠近自举二极管放置。
SLM2304S 有两个输入,HIN 和LIN,分别控制高侧输出HO 和低侧输出LO。 HIN 和HO 同相,LIN 和LO 同相。为了防止输入控制错误,例如输入同时为高电平,输出也为高电平,造成MOS/IGBT常见的情况,SLM2304S采用了互锁设计,即当两个输入都为高电平时,输出均为低电平,确保输出安全。当然,如果客户的应用要求输出HO和LO均为高电平,我们推荐不带互锁功能的SLM2106B来满足此类特殊应用。