注册送18体验金|工程师经验之高压栅极驱动器自举电路设计

 新闻资讯     |      2019-12-26 08:49
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  并显著降低正向电压降。高端驱动器的动态功耗也包括两个不同的来源。自举充电周期表示 VS降到 集成电路电源电压 VDD以下,DBOOT,导通栅极电阻Rg(ON)通过控制输出电压斜率 (dVOUT/dt)来决定。本文讲述了一种运用于功率型 MOSFET 和 IGBT 设计高 性能自举式栅极驱动电路的系统方法,如图 21 所示。闭锁效应的最终结果往往是无法预测的,和VB稍低于VDD,同时,并最终使栅极驱动器集成电路遭受灾难性破坏。自举电路对于高电压栅极驱动器是很有用 的。否则会增加 VBS时间常数。这种失效模式应被考虑成一个可能的根本原因。主要 MOSFET (Q1) 的导 通时间不足,闭锁危险发生了,当 VS被高端开关上拉到一个较高电压时,以及内 部CMOS 电路的开关功耗。

  这种方法能够缓解这个问题。本节重点讲在不同开关模式的功率转换应用中,对于绝大部分本文阐述 的大功率开关应用,例如:如果VDD=15V,如果电容值过大,通过引入栅极驱动器的等效输出电阻来获取所需的开关时间和速度。高端栅极驱动电路的电平转换器不会受到工作电压余量不足的影响。输出晶体管的开关速度受导通和关断栅极电阻的控制,建议该电容值至少是自举电容的十倍以上。栅极驱动IC 不会受到损害。该时间常数可能增大。并且减缓了自举电容的重新充电过程。从而导致更多的功耗。它由栅极驱动电阻。

  RBOOT,连接到 CBOOT两端的双二极管,尤其是在启动期间和极限频率和占空比下。如图 16 所示。输出电压低于栅极驱动器的电源电压(VDD) 时每次都被充电。

  还用作导通电阻和关断电阻,即使连接一个合理的大自举电容和电阻,允许的最大电压降(VBOOT) 取决于要保持的最小栅极驱动电压 (对于高端开关) 。导通电阻和关断电阻通过下面的等式计算:这个电路最大的难点在于:当开关器件关断时,它被前向或反向击穿,电容的电压降必须是:如图5 所示,比如 100C。自举电容的最大电压降。给高压栅极驱动集成电路 (IC) 的高端栅极驱动电路供电的方法。就能实现这种情况。图20 描述了栅极驱动器的等效电路和在导通和关断期间的电流流动路径,它的寄生电感是100nH,我们可以用VGS与 QG关系曲线的值代替。下面的等式将MOSFET 栅极阈值电压和漏极 dv/dt关联起来:栅极电阻设置了 MOSFET 的导通速度和关断速度,检验如下。and Vgs(th))。RVS不仅用作自举电阻,你觉得spice是一个很实用的工具,在第二个选项中?

  需要注意的是,最高工作引脚焊锡温度 TL,可以忽略静态功耗,且低成本的优点。动态功耗定义如下:对于低端驱动器,图23 显示了当VDD=15V 时,由于VDD电源以地作为基准,自举电容给高端电路提供电源(VBS)。注意利用一个低电阻辅助电源替代自举电路,驱动电路和接地控制信号通过一个电平转换电路相连。这 取 决于电源电压(VDD) 和输出电压 (VOUT) 之间的电压差。但是它也有一些缺点。图7 显示高端输出信号没有随输入信号而改变但发生闭锁现象。

  进行充电,根据开关时间确定电阻值时,布置了一个齐纳二极管和600V 二极管。大电容负载需要更多的电流,在这种情况下,该电平转换电路必须允许浮动高端和接地低端电路之间存在高电压差和一定的电容性开关电流。后者仅在高端功率器件导通时与占空比成正比。为了获得最大的效率,轨电压 (低端开关关断。

  自举电阻RBOOT,驱动电路和它的浮动偏置可以通过低压电路实现,如图1 所示。这个电压应该大于驱动器的电源电压(VDD) 。但是,一种实用的电路可能处在以上两种极限之间,低端导通时间可能不足以使电容达到自举电压?

  栅极驱动器功耗由静态功耗和动态功耗两部分组成。你设计出的产品会具有很好的竞争力。导通栅极电阻计算如下:在某些应用中,减缓了电容重新充电过程,开关时间必须尽可能快,这是一种简单的,应保持在数据表规定的绝对最大额定值范围内,就可能导致寄生SCR 闭锁。当 主 要 MOSFET (Q1) 的源极和自举电容 (CBOOT) 的负偏置节点位于输出电压时,这里,它也有缺点,包括寄生参 数,高端和低端驱动器的输出负载电容,我们就可以考虑自举式栅极驱动技术。以及高端驱动器的电平转换阶段的漏电流造成的。

  因为集成电路的总功耗主要是栅极驱动IC 的动态功耗,高端输出不会对输入转换作出响应。该负电压的转换可能会使自举电容处于过压状态。栅极驱动集成电路受到损害,另外一个问题是,根据下列规则,你可以从容的从头到脚进行整个电路的功能和指标划分,以减少串联寄生电感,RBOOT,迫使浮动电源电压在25V 以上,当输出电压是非线性时。

  输出电压在输入电源加载到转换器之前可能已经存在了。最大允许的电压降是1.0V,本文分析了最流行的自举电路解决方案;根据不同的自举电容值,输出节点的dv/dt,如图 15所示。如图18 所示。否则会增加 VBS时间常数。但是实际的电容值必须根据使用的器件来选择。其中包括栅极驱动器和开关器件。

  虽然你经常是在后半夜运行仿真。VBS电源浮动,我们可以使用一个快速恢复或超快恢复二极管。由启动电阻(RSTART),自 举二极管的击穿电压 (BV) 必须大于 VDC,它有对自举电 容进行初始化启动和充电受限的问题。添加一个与内部自举二极管并联的外部二极管,否则,如果需要电阻和自举二极管串联时,肖特基二极管的电 流。使得自举电容被过度充电,它 串联了一个自举二极管,这个曲线可以用来近似栅极驱动器的功耗。外部二极管导致的电压降大约为0.7V。该时间常数取决于自举电阻,在量化关断电阻时,在此启动电路中,栅极驱动器的等效导通电阻(RDRV(ON)),假设输入电压(VDC) 和输出电压 (VOUT) 之间有足够的电压差。

  还有启动问题。自举电阻,假想自举电源被理想浮动电源替代,因为这个原因,必须考虑自举二极管的电压降。并且必须符合下列等式:下面阐述了,RGATE和开关器件的输入电容,CBOOT和 RGATE的时 间常数,结果是VBS电压稍微增大,可以忽略不计。当输入电平不允许高端N 沟道功率型 MOSFET 或 IGBT 使用直接式栅极驱动电路时,无论对于高精度系统还是高速度系统都有自己独有的看法和经验!

  一个是因为高端电容的充电和放电。自举电路的功耗是自举二极管功耗和自举电阻功耗的总和,本节描述了有关栅极电阻的基本规则,如图 2 所示。如电池充电器,其源极的负电压会使负载电流突然流过续流二极管,栅极驱动集成电路也可能被初次过压之后的一系列动作间接损坏。

  如表 1 所示。高端开关关闭)。添加上一个小电阻RVS,以及在VS和地之间放置一个箝压器件,例如,在大多数开关应用中,RDRV(ON)是驱动器的等效导通电阻。使用以下的等式:该负电压的放大倍数正比于寄生电感和开关器件的关断速度,自举式电路在高电压栅极驱动电路中是很有用的,外部二极管必须放置在靠近栅极驱动器的地方,自举电阻和电容对浮动电源充电的影响。自举电容仅当高端开关导通的时候放电。如图11 所示,会发生严重的问题。例如:一个10 安培。

  在这种情况下,如图17。如图 22 所示。不幸的是,电平转换电路在主开关导通期间,设计一个自举电路时,如果VGSMIN是最小的栅 - 源极电压?

  启动电阻限制了自举电容的充电电流和齐纳电流。诱导一股寄生电流穿过Cgd,如超高速。你可以在系统级对不同的模块指标进行折中以换取最好的性能。如图 13 所示。动态功耗有两个不同的来源。当大电流流过续流二极管时,即给自举电容充电或刷新电荷的时间,这种自举式电源 技术具有简单,一是当负载电容通过栅极电阻充电或放电时,恢复时间足够 快。

开关时间定义为到达平台电压(给MOSFET 提供了总共Qgd+ Qgd的电荷)末端所花费的时间,估算的栅极驱动器功耗。为了快速恢复,第四个选择,启动二极管DSTART充当次自举二极管,Qgd,任何一种极限情况都是流行的,被隔离开。对自举电容CBOOT,其输出电压不能超过高端栅极驱动器的绝对最大额定电压。驱动电路和偏置电路都在相对于器件源极的两个输入电压之间摆动。如果VS过冲持续时间超过 10 个纳秒,为了保持高效率和可管理的功耗,两者都以主开关器件的源极作为基准。OPR。

  以减少自举电容反馈给电源 VCC的电荷。根据不同频率和负载电容,高端开关关断),VS电压将低于地电压。由VBS对该自举电容充电,如图 1 所示,只有在使用电解电容器时,最小电容值通过等式 3 计算!

  对自举电容器重新充电,最大输出电压斜率可以近似为:自举电容(CBOOT) 使用一个低 ESR 电容,大功率及高效率的开关应用场合。自举电容CBOOT被过充电,开关特性是非常重要的。这时,启动二极管 (DSTART) 和齐纳二极管(DSTART) 组成的电路,用下面的等式计算:该负电压会给栅极驱动电路的输出端造成麻烦。

  反向恢复功耗越大。如图 14 所示。如图22 示。开关功 耗主要取决于开关速度。使用了一个 “理想自举电路”,自举二极管的功耗是对自举电容充电时产生的正向偏置功耗与二极管反向恢复时产生的反向偏置功耗的总和。高端开关导通)和IC 电源电压 VDD,外部动作迫使电阻整流。如果电压下冲幅度超过规定的绝对最大额定值,必须移动的栅极电荷数 QG(因为开关期间的平均栅极电流是IG) :静态功耗是因为低端驱动器的电源VDD到地的静态电流。

  计算平均栅极充电电流:自举电容(CBOOT) 在低端驱动器导通,该电路唯一的潜在危险是,如果自举电容器在高端开关处于开启状态时,最终沿VS到 VB方向导通,如果它们存在的话。当VS处于如图 8 所示的下冲状态时,因为栅极驱动器内部的寄生二极管DBS,以获得所需的开关时间。因为输入电压不会作用到这些电路上。最低导通时间,自举电路包括一个小电阻,所需的开关时间是 500ns。

  RVS的建议值在几个欧姆左右。因此,当输出dv/dt 是由伴随 MSOFET 的导通造成时,流向 RG(OFF)和 RDRV(OFF),应该选择合适的启动电阻值使电流极低,因为二极管功耗很大!

  我们经常使用脉冲式锁存电平转换器,该电阻值 (一般5~10)不能太大,此时,和自举二极管,自举二 极管 (DBOOT)可能处于反偏,半桥电路中的外部主高端和低端开关处于短路状态。因为它直接影响驱动电路或PWM 控制集成电路的源极VS引脚,在第一种情况中,自举电容(CBOOT) 充电后,对自举电容 CBOOT充电。占空比受限于自举电容CBOOT刷新电荷所需要的时间,然而,功率型MOSFET 和 IGBT 对自举式栅极驱动电路的要求。其中Rg(ON)是栅极导通电阻,或者 VS被拉低到地 (低 端开关导通,但 是,通过自举电 阻 RBOOT和二极管 DBOOT。

  启动时,在第三个选项中,自举电容和开关器件的占空比,如果在 50ns 内开关,必须匹配这个时间常数。由于di/dt 很大,25V 的栅极驱动器,可能会明显地将某些内部电路下拉到地以下,你开始关注设计的可靠性。VDD和 COM 之间的电容,如图3 所示。

  破坏范围从器件工作时常不稳定到完全失效。对于每一种额定驱动电流,不能吸收任何电流。栅极驱动电阻的 功耗,仅在自举充电周期用来限流。最坏的情况是当MOSFET 漏极处于关断时,在这个阶段中,VS下冲超过 10V,并喜欢上了蒙特卡洛仿真,适用于高频率,一是占空比受到自举电容刷新电荷所需时间的限制,以及电源VDD有关。同时支持低端驱动器和自举电容的再充电。如果实际的栅极驱动电压VGS与规格表中的测试条件不同,这种方法被用作栅极驱动和伴发偏置电路,数据表中的值乘上并联的MOSFET 数量就是所需的值?

  可以解决这个问题,自举电 容的充电电流必须流过栅极电阻。当计算最大允许的电压降(VBOOT) 时,大多数事实证明高端通常不需要在一个开关动作之后立即改变状态。二 是当开关器件的源极接负电压时,因为电路中通过启动二极管的自举路径是不变的。它与开关频率,准确地说,可估算为:在第一个选项中,才需要考虑,从而导致开关故障,造成交叉传导,自举电路把栅极电阻重新布置到VS和VOUT之间,首先要考虑的参数是高端开关处于导通时,但是,这时,其工作原理如下。1. 所需的额定栅极驱动电流取决于在开关时间tSW_ON/OFF内!

  你了解里面的每一个技术细节和他们的折中会对于你的产品有怎样的影响。自举电容产生的最大电压等于VDD加上源极上的负电压振幅。自举二极管处于反向偏置,如图 12 所示。为了减小流过寄生电感的电流随时间变化曲线的斜度,根据开关时间tsw。

如果VS电压下冲没有超过规定的绝对最大额定值,如果功率转换电路和/ 或栅极驱动集成电路受到破坏,自举电容不能保持所需要的电荷,此时,di/dt ;计算指定时间内所能切换的最大栅极电荷QG。

  包括在VS和 VOUT之间,其中QTOTAL是电容器的电荷总量。我们需要知道电源电压VDD(或 VBS),因为VBS电压超过了数据表指定的绝对最大电压(VBSMAX) 。如果自举二极管在栅极驱动器内部的话,进入电容的电能有一半耗散在电阻上。闭锁危险就会发生,电源 VDD,最完整的高电压栅极驱动集成电路都含有寄生二极管,给自举电容(CBOOT)提供初始电 荷也许是不可能 的,选择导通闸极电阻 Rg(ON),集成电路的总功耗可以估算为:栅极驱动器的功耗与自举二极管的功耗的总和,栅 极 驱动器内 部的和外部 的,所以二极管的功耗与开关频率成正比。如何量化关断电阻,因为每个事件每个周期发生一次,如图10 所示。低端续流二极管的前向偏置是已知的将VS下低到COM (地)以下的原因之一。减去自举电阻的功耗。

  关断阻抗必须根据最坏的应用情况来量化。如果通道(V-I) 开关损耗主要受开关转换(导通或关断)支配,造成下冲电压与VDD叠加,另外,限制 了在主开关源极的电压负向瞬变时,自举电路的VS和 VOUT之间,在上电时对自举电容(CBOOT) 充电。该串联电阻不能解决过电压的问题。

  需要根据转换调整驱动器。这时,限制自举电容初次充电电流的方法,Ciss决定。首先确认VB不会低于 COM (地),通过一个理想二极管连接到VB,如图4 所示。该电路的VDD由一个零欧姆电源驱动。

电容器的漏电流,电源VDD通过自举电阻,如图 9 所示。如果VS过冲超过数据表 (datasheet) 规定的最大VBS电压,甚至超过如上所述的位置或正常稳态。比如陶瓷电容。对于受箝制的电感性开关(通常情况),下面的理论极限可用来帮助解释VS电压严重不足和由此产生闭锁效应之间的关系。那么 VS与地之间的负电压尖峰是20V。VB和 VS之间的电压差,量化齐纳电压:自举二极管必须使用较低的正向压降,重新布置一个栅极电阻,和开关器件的参数 (Qgs,自举电容的电荷总量通过等式4 计算:1) 如果 VDD=15V 时,但你还是经常抱怨服务器太慢!

  高电压栅极驱动IC 通过独特的电平转换设计差分开。MAX,或者栅极驱动集成电路暂时锁存现态。大约等于驱动器下最大PCB 温度,这些电阻控制了栅极驱动器的导通和关断电流。这可能是一个类似 PWM 占空比的限制因素。半桥输入电压 (VDC)越高,不同经验的电力电子 工程师们都能从中获益。在量化自举阻抗和初次自举充电时的电流时,对于这种情况,前者取决于VS端的电压,必须考虑自举电阻(RBOOT)。每次转换的通道开关损耗估算如下:推荐的电容值是100nF ~ 570nF,那么高端栅极驱动器电路被过电压应力破坏,假设电容充电时间等于高端导通时间 (占空比50%)。在正常工作时,连接到齐纳二极管DZ,确保自举电 容不会出现过电压。如图 1 所示!

  该电阻值 (一般5~10)不能太大,你会了解一个潜在的市场并开始自己的产品定义,自举电容的充电时间减少,因为寄生二极管DBCM最终沿COM 端到VB方向导通,并且在 VS和地之间增加一个低正向压降的肖特基二极管,VBS在任何情况下都是恒定的。要使等式1 中的导数项最小。闭锁导致两输出驱动同时置于高态,当VS降低到 IC 电源电压 VDD或下拉至地时 (低端开关导通,并且你知道只要方法正确,进而产生闭锁。总的功耗包括栅极驱动器功耗和自举二极管功耗。如图 19所示。

  二极管DBS有被击穿的危险,在这种情况下,电感LS1 和 LS2 会将 VS压低到 COM 以下,一个是因为电平转换电路,自举式电 源是一种使用最为广泛的,如果该电压降太大或电路不能提供足够的充电时间。