驅(qū)動電路設(shè)計(jì)（三）---驅(qū)動器的隔離電源雜談

作者：陳子穎鄭姿清時(shí)間：2025-03-07 來源：英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體

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驅(qū)動電路設(shè)計(jì)是功率半導(dǎo)體應(yīng)用的難點(diǎn)，涉及到功率半導(dǎo)體的動態(tài)過程控制及器件的保護(hù)，實(shí)踐性很強(qiáng)。為了方便實(shí)現(xiàn)可靠的驅(qū)動設(shè)計(jì)，英飛凌的驅(qū)動集成電路自帶了一些重要的功能，本系列文章以閱讀雜談的方式講解如何正確理解和應(yīng)用這些功能，也建議讀者收藏和閱讀推薦的資料以作參考。

本文引用地址：http://m.ptau.cn/article/202503/467754.htm

驅(qū)動電路有兩類，隔離型的驅(qū)動電路和電平移位驅(qū)動電路，他們對電源的要求不一樣，隔離型的驅(qū)動電路需要隔離電源，驅(qū)動集成電路一般都支持正負(fù)電源，而電平移位驅(qū)動電路一般采用自舉電源，一般是單極性正電源。

圖1：1ED332xMC12N系列電隔離單通道驅(qū)動IC的輸出側(cè)框圖

注：典型型號1ED3323MC12N 8.5A,5.7kV(rms)單通道隔離柵極驅(qū)動器，具有短路保護(hù)、有源米勒鉗位和軟關(guān)斷功能，通過UL 1577和VDE 0884-11認(rèn)證

從1ED332xMC12N框圖可以看出，其有VCC2正電源端，VEE2負(fù)電源端和接地端GND2。

正電源

對于IGBT、MOSFET和SiC MOSFET正電源的電壓值有明確的建議值，它決定了驅(qū)動脈沖的幅值，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(qū)動脈沖的幅值決定了器件的飽和壓降即靜態(tài)損耗，以IKW40N120T2 40A 1200V IGBT為例，當(dāng)驅(qū)動脈沖幅值為VGE=15V，50A時(shí)的飽和壓降在2.7V，如果降低到VGE=11V時(shí)，飽和壓降上升到3.5V，如果再降柵壓，IGBT就將退出飽和，靜態(tài)損耗急劇增加，這就是為什么驅(qū)動器會帶UVLO功能。反過來，如果驅(qū)動電壓提高，VGE=17V，飽和壓降降到2.5V，可以有效降低導(dǎo)通損耗。

摘自IKW40N120T2 40A 1200V IGBT數(shù)據(jù)手冊

■ 正電源與短路電流

IGBT短路承受能力是與驅(qū)動正電壓有關(guān)，驅(qū)動電壓VGE高，短路電流大，短路承受時(shí)間短，反過來驅(qū)動電壓低短路電流小，短路承受時(shí)間長，見下表。當(dāng)驅(qū)動電壓上升到18V，短路電流會增加45%。而短路承受時(shí)間從10us，降到了6us，而靜態(tài)損耗降低了10%。

對于采用無磁芯變壓器的驅(qū)動IC，可以2us內(nèi)關(guān)斷IGBT短路電流，但是過快的短路響應(yīng)在高噪聲環(huán)境中非常容易誤觸發(fā)。另外，適當(dāng)提高驅(qū)動電壓有時(shí)是可行的，但要注意到，短路發(fā)生時(shí)，由于米勒電容，柵極電壓被抬高，這時(shí)就很危險(xiǎn)。

摘自IKW40N120T2 40A 1200V IGBT數(shù)據(jù)手冊

負(fù)電源

負(fù)電壓可以提高功率器件的抗干擾能力，也可以加快關(guān)斷速度，負(fù)電壓可以在規(guī)定范圍內(nèi)選取，主要考慮抗干擾能力，驅(qū)動功率（因?yàn)轵?qū)動功率與?U成正比，PGE=fSW·QG·ΔU，負(fù)電壓大，需要驅(qū)動功率大）和電源拓?fù)涞膹?fù)雜程度。

▲ 寄生導(dǎo)通

負(fù)電源電壓不夠會增加寄生導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)，包括通過米勒電容寄生導(dǎo)通和通過寄生電感寄生導(dǎo)通。

▲ 米勒電容的寄生導(dǎo)通

當(dāng)開通半橋中的下橋臂IGBT時(shí)，上橋臂的IGBT/二極管兩端的電壓會發(fā)生dvCE/dt變化。這會產(chǎn)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CGE形成一個(gè)電容分壓。電流iCG流經(jīng)米勒電容、串聯(lián)電阻、CGE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(xiàn)寄生導(dǎo)通。足夠幅值的負(fù)電壓可以拉低柵極電壓，很好地避免寄生導(dǎo)通。

▲ 寄生電感寄生導(dǎo)通

如果開關(guān)器件沒有輔助發(fā)射極，或者是驅(qū)動環(huán)路寄生電感比較大時(shí)，雖然器件本身處于關(guān)斷模式下，但是對管或者其他相功率器件開通產(chǎn)生di/dt會在該器件上產(chǎn)生一個(gè)電壓VσE2：，這樣可能有寄生開通風(fēng)險(xiǎn)。

比如當(dāng)開通IGBT T1時(shí)，主電流將從續(xù)流二極管D2換向至IGBT1。二極管反向恢復(fù)電流減小過程中產(chǎn)生的diC2/dt會在LσE2上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，并將T2的內(nèi)部發(fā)射極電平拉到負(fù)值，變相提高了驅(qū)動電壓。

如果通過高diC/dt產(chǎn)生的感應(yīng)電壓高于IGBT的閾值電壓，則會導(dǎo)致IGBT T2寄生導(dǎo)通。

▲ 負(fù)電源的拓?fù)?/p>

驅(qū)動的負(fù)電壓是針對GND2的，而且對穩(wěn)壓精度要求不高，往往不需要用變壓器兩個(gè)繞組來實(shí)現(xiàn)，簡單的方法通過電源芯片實(shí)現(xiàn)。

如果要產(chǎn)生+15V，-7.5V的正負(fù)電壓，簡單的方法是通過倍壓整流實(shí)現(xiàn)，倍壓整流原理和設(shè)計(jì)請參考評估板EVAL-2EP130R-VD帶雙輸出倍壓整流的2EP130R變壓器驅(qū)動器評估板的應(yīng)用手冊，控制芯片全橋變壓器驅(qū)動器集成電路，。

如果要靈活設(shè)計(jì)負(fù)電壓值，也可以選擇英飛凌2EP130系列全橋變壓器驅(qū)動器集成電路，其占空比和開關(guān)頻率皆可調(diào)整。如果采用下圖這樣的峰值整流電路，可以大大縮減器件數(shù)量。并且該芯片會根據(jù)占空比來進(jìn)行過流保護(hù)，提供電源可靠性。設(shè)計(jì)可以參考評估板：EVAL-2EP130R-PR，具有雙輸出峰值整流和可定制的輸出電壓，適用于MOSFETS和IGBT。