驅動電路設計（二）——驅動器的輸入端探究

關鍵字 :InfineonDriver驅動器

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詳細講解如何正確理解和應用這些功能，也建議讀者閱讀並收藏文章中推薦的資料作為參考。

驅動器的輸入端

一個可靠的功率半導體驅動電路設計需要從輸入端開始考量，輸入端可能會受到干擾，控制電路也可能發生邏輯錯誤，潛在的誤觸發可能會導致系統輸出混亂，甚至損壞元件。

一個典型的無磁芯變壓器耦合的隔離型驅動器輸入測如框圖所示，本文重點講解不起眼的IN+和IN-，以及其互鎖、傳輸延遲過濾和窄脈衝抑制等功能。

圖1. 1ED332xMC12N系列電隔離單通道驅動IC的輸入端框圖

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

IN+與IN-應用的使用方法

輸入端的設計要從認識最基本的PWM信號輸入端開始，一個單路功率半導體驅動電路如果帶有反相（IN-）和同相（IN+）輸入引腳，這就提供了多種設計可能性，可通過連接PWM脈寬調制輸入和啟用/關閉邏輯信號，以滿足各種控制和保護用途的需求。

互鎖模式

互鎖是一種有效的功能，用於避免半橋電路產生直通電流。將上橋臂和下橋臂驅動IC的輸入信號引腳按照下圖的方法連接在一起，可以實現半橋驅動，同時禁止兩個通道同時導通：

上橋臂驅動器的輸入（IN+）與下橋臂驅動器的反相輸入（IN-）相連；

下橋臂驅動器的輸入（IN+）與上橋臂驅動器的反相輸入（IN-）相連。

但這簡單的互鎖還是不夠的，柵極驅動器和功率開關的開關延遲和邊緣特性往往會導致短暫的上下橋臂直通現象。為了避免功率開關的導通時間重疊，需要在微控制器中對PWM生成設置適當的死區時間，這是另外一個需要深入討論的問題。

啟用模式和關閉模式

驅動器上同時帶有IN+和IN-引腳，從邏輯上來說，兩者同時是有效電平才會有輸出。我們在設計中可以將其中一個引腳作為啟用和關閉的功能引腳，具體為：

使用IN+引腳作為啟用信號（圖2窄脈衝和延遲中的C區域），IN-則是反向邏輯PWM輸入端。整個逆變器的閘極驅動器IC的IN+（設計中作為啟用控制）連接在一起，以便通過單一控制信號啟動逆變器。

使用 IN- 引腳作為關閉信號（圖2窄脈衝和延遲中的 A 和 B 區域），IN+ 則是正向邏輯 PWM 輸入端。整個逆變器的閘極驅動器 IC 的 IN-（設計中作為關閉控制）連接在一起，以便透過單一控制信號關閉逆變器。

輸入信號的濾波

抑制輸入干擾的方法是在輸入端接入簡單的RC低通濾波器，以抑制影響正常運作的短脈衝。

阻容RC濾波器是抑制或減少串擾和寄生耦合效應的常用方法。然而，如圖所示，外部簡單的阻容濾波器並不精確，其誤差不對稱。尤其是當時間常數較大時，這可能會使得基於半橋的功率變換器需要更大的死區時間，計算更加困難。

目前量產的EiceDRIVER™隔離型驅動都帶有內建濾波，內部為電容充電的是電流源，實現具有對稱容差和高精度的整合低通噪聲濾波器。整合噪聲濾波器可以減少對外部RC濾波器的依賴。與沒有整合噪聲抑制濾波器的閘極驅動器整合電路相比，這種組合解決方案的性能更為優異。

窄脈衝抑制

IN+和IN-定義了最小脈衝寬度，使驅動電路能夠抵禦意外的小脈衝干擾，請參見下圖A區和C區。

下圖的時序是基於啟用模式和關閉模式，A區NI-（設計中作為關閉控制）是低電平，關閉無效，此時IN+的脈衝應該出現在輸出端。但是卻沒有，因為t在+<tinfit即脈衝寬度小於最小脈衝寬度，1ED332x系列的典型值為35ns。

圖2. 窄脈衝與延遲

傳輸延遲

上圖B區中，IN+的脈衝寬度大於允許的最小脈衝寬度t無限適合驅動器就有輸出了，但輸出的前緣和後緣都有一定的延遲，分別為 t。PDON和tPDOFF由於前沿與後沿的延遲並不一致，會影響到輸出脈衝的寬度，尤其在脈衝寬度較窄時影響更為明顯。細化的輸出邊沿特性和延遲定義見下圖，IN+以30%~70%計算，而輸出OUT以20%~80%計算。