英飞凌 | 驱动电路设计（三）---驱动器的隔离电源杂谈
发布时间：2025-5-24 10:27
发布者：唯样商城
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驱动电路设计是功率半导体应用的难点，涉及到功率半导体的动态过程控制及器件的保护，实践性很强。为了方便实现可靠的驱动设计，英飞凌的驱动集成电路自带了一些重要的功能，本系列文章以阅读杂谈的方式讲解如何正确理解和应用这些功能，也建议读者收藏和阅读推荐的资料以作参考。 驱动电路有两类，隔离型的驱动电路和电平移位驱动电路，他们对电源的要求不一样，隔离型的驱动电路需要隔离电源，驱动集成电路一般都支持正负电源，而电平移位驱动电路一般采用自举电源，一般是单极性正电源。 
图1：1ED332xMC12N系列电隔离单通道驱动IC的输出侧框图 注：典型型号1ED3323MC12N 8.5A,5.7kV(rms)单通道隔离栅极驱动器，具有短路保护、有源米勒钳位和软关断功能，通过UL 1577和VDE 0884-11认证 从1ED332xMC12N框图可以看出，其有VCC2正电源端，VEE2负电源端和接地端GND2。 正电源 对于IGBT、MOSFET和SiC MOSFET正电源的电压值有明确的建议值，它决定了驱动脉冲的幅值，IGBT一般为+15V，Si MOSFET为10V，而SiC MOSFET为15V~18V。 正电源与饱和压降 不同的驱动脉冲的幅值决定了器件的饱和压降即静态损耗，以IKW40N120T2 40A 1200V IGBT为例，当驱动脉冲幅值为VGE=15V，50A时的饱和压降在2.7V，如果降低到VGE=11V时，饱和压降上升到3.5V，如果再降栅压，IGBT就将退出饱和，静态损耗急剧增加，这就是为什么驱动器会带UVLO功能。反过来，如果驱动电压提高，VGE=17V，饱和压降降到2.5V，可以有效降低导通损耗。 
图：摘自IKW40N120T2 40A 1200V IGBT数据手册 正电源与短路电流 IGBT短路承受能力是与驱动正电压有关，驱动电压VGE高，短路电流大，短路承受时间短，反过来驱动电压低短路电流小，短路承受时间长，见下表。当驱动电压上升到18V，短路电流会增加45%。而短路承受时间从10us，降到了6us，而静态损耗降低了10%。 对于采用无磁芯变压器的驱动IC，可以2us内关断IGBT短路电流，但是过快的短路响应在高噪声环境中非常容易误触发。另外，适当提高驱动电压有时是可行的，但要注意到，短路发生时，由于米勒电容，栅极电压被抬高，这时就很危险。 
图：摘自IKW40N120T2 40A 1200V IGBT数据手册 负电源 负电压可以提高功率器件的抗干扰能力，也可以加快关断速度，负电压可以在规定范围内选取，主要考虑抗干扰能力，驱动功率（因为驱动功率与∆U成正比，PGE=fSW·QG·ΔU，负电压大，需要驱动功率大）和电源拓扑的复杂程度。 寄生导通 负电源电压不够会增加寄生导通的风险，包括通过米勒电容寄生导通和通过寄生电感寄生导通。 米勒电容的寄生导通 当开通半桥中的下桥臂IGBT时，上桥臂的IGBT/二极管两端的电压会发生dvCE/dt变化。这会产生米勒电流iCG，从而对上桥臂的IGBT寄生电容CCG充电。电容CCG和CGE形成一个电容分压。电流iCG流经米勒电容、串联电阻、CGE和直流母线。如果栅极电阻上的压降超过IGBT的阈值电压，就会出现寄生导通。足够幅值的负电压可以拉低栅极电压，很好地避免寄生导通。 
寄生电感寄生导通 如果开关器件没有辅助发射极，或者是驱动环路寄生电感比较大时，虽然器件本身处于关断模式下，但是对管或者其他相功率器件开通产生di/dt会在该器件上产生一个电压VσE2：，这样可能有寄生开通风险。 
比如当开通IGBT T1时，主电流将从续流二极管D2换向至IGBT1。二极管反向恢复电流减小过程中产生的diC2/dt会在LσE2上产生感应电压，并将T2的内部发射极电平拉到负值，变相提高了驱动电压。 如果通过高diC/dt产生的感应电压高于IGBT的阈值电压，则会导致IGBT T2寄生导通。 
负电源的拓扑 驱动的负电压是针对GND2的，而且对稳压精度要求不高，往往不需要用变压器两个绕组来实现，简单的方法通过电源芯片实现。 如果要产生+15V，-7.5V的正负电压，简单的方法是通过倍压整流实现，倍压整流原理和设计请参考评估板EVAL-2EP130R-VD带双输出倍压整流的2EP130R变压器驱动器评估板的应用手册，控制芯片全桥变压器驱动器集成电路，需要购买评估板和索取PCB参考文件等请填写表单。 
如果要灵活设计负电压值，也可以选择英飞凌2EP130系列全桥变压器驱动器集成电路，其占空比和开关频率皆可调整。如果采用下图这样的峰值整流电路，可以大大缩减器件数量。并且该芯片会根据占空比来进行过流保护，提供电源可靠性。设计可以参考评估板：EVAL-2EP130R-PR，具有双输出峰值整流和可定制的输出电压，适用于MOSFETS和IGBT。 
参考资料： 1、英飞凌工业半导体驱动技术合集 2、《IGBT模块：技术、驱动和应用》机械工业出版社 3、新品 | 2EP1xxR - 频率和占空比可调的驱动电源用20V全桥变压器驱动器 4、新品 | 频率和占空比可调的驱动电源用全桥变压器驱动器评估板 5、英飞凌邀您免费试用全桥变压器驱动器评估板！ 
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