驅動電路設計（三）---驅動器的隔離電源雜談

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驅動電路設計是功率半導體應用中的難點，涉及到功率半導體的動態過程控制及元件的保護，實踐性非常強。為了方便實現可靠的驅動設計，英飛凌的驅動集成電路內建了一些重要的功能。本系列文章將以閱讀雜談的方式講解如何正確理解和應用這些功能，也建議讀者收藏並閱讀推薦的資料作為參考。

驅動電路有兩類，隔離型的驅動電路和電平移位驅動電路，它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援正負電源，而電平移位驅動電路一般採用自舉電源，通常是單極性正電源。

圖1：1ED332xMC12N系列電隔離單通道驅動IC的輸出側框圖

註：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、主動米勒箝位和軟關斷功能，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

對於IGBT、MOSFET和SiC MOSFET正電源的電壓值有明確的建議值，它決定了驅動脈衝的幅值，IGBT一般為+15V，Si MOSFET為10V，而SiC MOSFET為15V~18V。

正電源與飽和壓降

不同的驅動脈衝幅值決定了元件的飽和壓降，也就是靜態損耗。以IKW40N120T2 40A 1200V IGBT為例，當驅動脈衝幅值為V通用電氣=15V，50A時的飽和壓降為2.7V，如果降低到V通用電氣當電壓為11V時，飽和壓降上升到3.5V，如果再降低柵極電壓，IGBT就會退出飽和狀態，靜態損耗會急劇增加，這就是為什麼驅動器會具備UVLO功能。反過來說，如果驅動電壓提高，V通用電氣=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資料手冊

正電源與短路電流

IGBT的短路承受能力與驅動正電壓有關，驅動電壓V通用電氣高，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10微秒降到了6微秒，而靜態損耗降低了10%。

對於採用無磁芯變壓器的驅動IC，可以在2微秒內關斷IGBT短路電流，但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，但需要注意的是，短路發生時，由於米勒電容的影響，柵極電壓會被抬高，這時就非常危險。

摘自IKW40N120T2 40A 1200V IGBT資料手冊

負電源

負電壓可以提高功率元件的抗干擾能力，也可以加快關斷速度。負電壓可以在規定範圍內選取，主要考慮抗干擾能力和驅動功率（因為驅動功率與∆U成正比）。通用電氣=fSW·QG·ΔU，負電壓大，需要驅動功率大）以及電源拓撲的複雜程度。

寄生導通

負電源電壓不足可能會增加寄生導通的風險，包括透過米勒電容的寄生導通以及透過寄生電感的寄生導通。

米勒電容的寄生導通

當開啟半橋中的下橋臂IGBT時，上橋臂的IGBT/二極體兩端的電壓會發生dv變化。CE/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C通用電氣形成一個電容分壓。電流 iCG流經米勒電容、串聯電阻、C通用電氣和直流母線。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

如果開關元件沒有輔助發射極，或者驅動迴路的寄生電感比較大時，雖然元件本身處於關斷模式下，但對管或其他相功率元件的開通所產生的di/dt，會在該元件上產生一個電壓V。σE2這樣可能有寄生開通的風險。

例如，當開啟IGBT T1時，主電流將從續流二極管D2切換至IGBT1。在二極管反向恢復電流減少的過程中產生的diC2/dt會在LσE2上產生感應電壓，並將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產生的感應電壓高於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，簡單的方法是通過電源晶片實現。

如果要產生+15V，-7.5V的正負電壓，簡單的方法是透過倍壓整流來實現，倍壓整流的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，控制晶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。

如果需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。如果採用下圖這樣的峰值整流電路，可以大幅縮減元件數量。此外，該晶片會根據占空比進行過流保護，提供電源的可靠性。設計可以參考評估板：EVAL-2EP130R-PR具有雙輸出峰值整流和可自訂的輸出電壓，適用於MOSFETS和IGBT。需要購買評估板和索取PCB參考文件等，請填寫表單。《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》。