隨著功率半導體IGBT、SiC MOSFET技術的發展以及系統設計的優化，電平位移驅動電路的應用場景越來越廣，電壓從600V拓展到了1200V。英飛凌1200V電平位移型驅動晶片的電流可達+/-2.3A，可驅動中功率IGBT，包括Easy系列模組。目標10kW以上的應用，例如商用HVAC、熱泵、伺服驅動器、工業變頻器、泵和風機。本文將介紹一個設計案例。採用電平位移驅動器碳化矽SiC MOSFET 5kW交錯調制圖騰柱PFC評估板。
從設計上看，這是一個很好的工業應用案例，涉及自舉電路用於中功率驅動和工頻50Hz驅動中的應用。
評估板的型號為EVAL-1EDSIC-PFC-5KW，是採用交錯圖騰柱實現PFC的完整方案，三個半橋橋臂結構，見下圖，兩個高頻橋臂的功率開關採用650V 22mΩ的碳化矽MOSFET IMBG65R022M1H，一個低頻橋臂採用10 mΩ 600V的CoolMOS™ S7 IPQC60R010S7。
CoolMOS™ S7 是高壓 SJ MOSFET，其針對 R導通電阻 (DS(on))優化，用於低頻開關。非常適合固態斷路器和繼電器、PLC、電池保護以及大功率電源中的有源橋式整流。
Si 和 SiC MOSFET 驅動都採用基於 SOI 技術的電平位移驅動晶片。
其中SiC MOSFET的驅動採用電平位移驅動晶片1ED21271S65F，它是一款4A 650V的大電流高壓側柵極驅動器，具備過電流保護（OCP）、多功能RCIN/故障/啟用（RFE）以及內建自舉二極體（BSD），採用DSO-8封裝。
CoolMOS™ S7的驅動採用基於SOI技術的電平位移驅動晶片2ED2182S06F，它是一款2.5A 650V高速大電流半橋閘極驅動器IC，內建自舉二極體，採用DSO-8封裝。
5kW交錯調制圖騰柱PFC的設計，在230VAC半負載條件下，實現效率為98.7%，尺寸為218mm x 170mm x 60mm，即功率密度達到36W/in3。
所用器件：
■ EiceDRIVER™ 1ED21271S65F 驅動 CoolSiC™ MOSFET
■ CoolSiC™ MOSFET IMBG65R022M1H
■ EiceDRIVER™ 2ED2182S06F 驅動 CoolMOS™
■ CoolMOS™ S7 SJ MOSFET 600V IPQC60R010S7
■ 控制器MCU：XMC™ 4200 Arm® Cortex®-M4
■ 輔助電源：ICE2QR2280G
SIC MOSFET驅動
1ED21271S65F是2025年3月推出的最新產品，電壓為650V、輸出能力+/-4A的高邊柵極驅動器，與其他產品相比，提供了一種更穩健、更具性價比的解決方案。
設計採用了英飛凌的絕緣體上矽（SOI）技術，1ED21x7x系列具有卓越的可靠性和抗噪能力，能夠在負瞬態電壓高達-100V時保持芯片不損壞。
可用於高壓側或低壓側的高壓、大電流、高速功率管驅動，即驅動Si/SiC功率MOSFET和IGBT，擊穿電壓高達650V，輸出電流為+/-4A，傳播延遲小於100ns。
1ED21x7x系列非常適合驅動多個開關並聯應用，例如輕型電動車中，基於1ED21x7x大電流柵極驅動器的設計，可在一個三相系統中節省多個 NPN/PNP管和外部自舉二極體。
在圖騰柱PFC設計中，電感器過流保護是一個設計難點，1ED21x7x提供簡單、易於設計的電感器過流保護。
1ED21x7x 的 CS 腳位功能強大，可以實現過流保護以及短路 I 和短路 II 的保護。
■ 短路I：指發生在功率開關開啟之前，已經處於短路狀態。
■ 短路II：短路發生在功率開關導通狀態，這是更難保護的。
■ 過流保護：1ED21x7x系列有兩個CS保護閾值可以選擇，分別是0.25V和1.8V。0.25V的設定通常與分流電阻搭配使用，以實現過流檢測。低壓選項可以盡量減少分流電阻上的壓降所造成的損耗。至於退飽和檢測，則需要選用1.8V，因為它具有更好的抗噪能力。
由於1ED21x7x系列整合了自舉二極體，外圍電路就顯得更簡單。下圖的實際電路外接了一個600V高速二極體Db和一個5.1Ω電阻，自舉電容為1uF。這是為什麼呢？
在《驅動電路設計（五）——驅動器的自舉電源穩態設計》中強調了自舉電路會有電壓損失，導致上管驅動電壓低於下管電壓，而SiC的R導通電阻 (DS(ON))會隨著驅動電壓降低而明顯增大，這是在設計中需要避免的。
自舉電壓的損失主要來自於自舉電路中的阻抗。Rboot由以下公式決定，選擇較小的外接電阻可以降低自舉電壓的損失。相比於驅動內建的等效電阻35歐姆，外接5.1歐姆的電阻要小得多。零點幾伏的改善對於降低SiC MOSFET的靜態損耗是非常有價值的。
1ED21x7x中的自舉電路參數
CoolMOS™驅動
EiceDRIVER™ 2ED2182S06F在驅動CoolMOS™ S7 SJ MOSFET 600V IPQC60R010S7時，直接採用內建的自舉二極體，自舉電容為33μF+100nF。
由於低頻橋臂工作在工頻50Hz，按照《驅動電路設計（四）---驅動器的自舉電源綜述》中的設計公式進行計算。由於頻率只有50Hz，驅動器的靜態電流被放大了。它的效應要比IPQC60R010S7的Q更明顯。G大一個量級，所以算出來的電容值就比較大，取33uf。
■ 問G為功率開關的閘極電荷 318nC (IPQC60R010S7)
■ 我q對應驅動器的靜態電流為170uA（資料表中的靜態VBS供應電流）。
■ 我洩漏為自舉電容的漏電流（僅與電解電容有關，可忽略）
■ fSW為功率管的開關頻率50Hz
■ UCC為驅動電源電壓
■ UF為自舉二極體的正向電壓
■ UCEsat為下橋臂功率管的電壓降
■S為餘量係數
透過以上內容，可以看到無法直接抄作業的自舉電路設計的兩個案例，結合之前系列文章中的知識點，讀者可以進行驗證性的設計。
英飛凌新開發了一些功能強大的電平位移驅動電路，拓展了應用場景。在合理的系統絕緣分配後，可以更積極採用電平位移驅動電路、自舉電路來優化系統設計，降低系統成本。
系列文章
參考資料
1. 《IGBT模組：技術、驅動和應用》機械工業出版社
2. 2025NPI11 高壓側柵極驅動器 1ED21x7 系列
3. 2025NPI12 評估板 EVAL-1EDSIC-PFC-5KW
掃描二維碼,關注英飛淩工業半導體尋找更多應用或產品資訊
評論