自舉驅(qū)動電路供電原理 為什么高壓大功率應(yīng)用不宜使用自舉驅(qū)動？

驅(qū)動電路位于控制電路與負(fù)載電路之間，其本質(zhì)是將控制電路的PWM控制信號進(jìn)行功率放大，為負(fù)載電路提供足夠的電流或功率。

優(yōu)良的驅(qū)動電路具有能夠提高系統(tǒng)可靠性、減小開關(guān)器件應(yīng)力（開/關(guān)過程中）、以及提高能量轉(zhuǎn)換效率并降低EMI/EMC等優(yōu)點(diǎn)。MOS-FET/IGBT柵極驅(qū)動的優(yōu)劣對其性能的發(fā)揮和可靠工作有很大影響。

本篇結(jié)合自己以及客戶以前的工程經(jīng)驗(yàn)，較為客觀務(wù)實(shí)地闡述了自舉驅(qū)動和隔離供電驅(qū)動的優(yōu)缺點(diǎn)，對搭建高可靠功率驅(qū)動器有一定的指導(dǎo)意義。

常用驅(qū)動電路有兩種，分別為自舉驅(qū)動電路和隔離驅(qū)動電路。

一

自舉驅(qū)動電路供電原理

自舉柵驅(qū)動因其結(jié)構(gòu)簡單，成本低的優(yōu)點(diǎn)，仍然在低壓中功率場合有著廣泛的使用。自舉柵驅(qū)動有高、低兩個通道，低側(cè)為一個簡單的緩沖器，與控制輸入有相同的接地點(diǎn)。具體工作原理如圖2所示：

當(dāng)SW點(diǎn)電壓下降到遠(yuǎn)低于Vcc或下拉至地時，自舉電容Cb才能充上電。即上管Q1關(guān)斷，下管Q2開通（要完全導(dǎo)通），且要有足夠的導(dǎo)通時間。因?yàn)槌潆娛峭ㄟ^自舉二極管D1正向?qū)ㄍ瓿傻?，它有?dǎo)通時間和動態(tài)電阻。所以在自舉二極管D1和自舉電容Cb選定后，輸入PWM的頻率和最大最小占空比需滿足一定的要求。

當(dāng)上管Q1導(dǎo)通，下管Q2關(guān)斷時，SW點(diǎn)通過上管Q1接Power，電容兩端電壓不能突變，因此VS點(diǎn)的電位（相對于PGND）遠(yuǎn)高于Vcc，具體如圖3所示故此時上驅(qū)動器的供電單一來源就是Cb上存儲的電能。因而，在PWM的頻率和最大、最小占空比已知的情況下，Cb的容值選取很重要。自舉二極管D1此時的作用為防止Vs點(diǎn)電壓回灌到輸入電壓Vcc，反向截止。

需要注意的是，自舉驅(qū)動電路在高壓應(yīng)用時缺點(diǎn)很多，具體為：

（1）當(dāng)上功率管關(guān)閉而下功率管導(dǎo)通時，由于寄生電感效應(yīng)，上、下管之間會出現(xiàn)負(fù)壓，會給柵極驅(qū)動電路的輸出端造成麻煩，會將某些內(nèi)部電路下拉到地以下。同時由于柵極驅(qū)動電路的耐壓很弱，該負(fù)電壓會對柵極驅(qū)動造成損傷。另外則是該負(fù)電壓的轉(zhuǎn)換會使自舉電容處于過壓狀態(tài)。

（2）自舉驅(qū)動電路內(nèi)部需要使用高電壓電平轉(zhuǎn)換器，高電平轉(zhuǎn)換到低電平時會帶來噪聲，為消除噪聲通常會在電平轉(zhuǎn)換器中加入濾波器，增加傳輸延遲，而下管驅(qū)動器為了匹配上管驅(qū)動器，需加額外濾波器，增加整體延長。

（3）自舉驅(qū)動電路與控制芯片共地，不夠靈活。不能滿足復(fù)雜拓?fù)潆娐芬?，如在三?a target="_blank">PFC電路中，要求多個輸出能夠轉(zhuǎn)換至控制公共端電平以上或以下。

二

MOS/IGBT的米勒效應(yīng)（miller）

關(guān)于米勒效應(yīng)，可以簡單理解為由于線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所致，在放大環(huán)節(jié)中，輸入到輸出之間的電容容值會被放大。以CMOS運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)為例，第二級均有一個頻率補(bǔ)償單元，以防止自激發(fā)生。如下圖4所示：

這個Cc就是補(bǔ)償電容。它是用金屬—氧化層—半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。其容值：

其中ε為氧化層的介電常數(shù)，S為電容極板面積，d為氧化層厚度。即在工藝制造規(guī)程已定的情況下，ε和d是固定的，為獲得一個一定值的Cc，理想情況下就需要把S設(shè)計(jì)大。但是在實(shí)際應(yīng)用時是不可行的，因?yàn)椴环?a target="_blank">集成電路的設(shè)計(jì)理念（追求更小、更微）。

舉例說，設(shè)計(jì)需要一個Cc=500pF的補(bǔ)償電容，若不使用miller效應(yīng)，則這個電容的面積有可能占到運(yùn)算放大器面積的一半以上（視運(yùn)算放大器的具體設(shè)計(jì)而異）。這顯然是不能接受的。

而使用如上圖所示的miller結(jié)構(gòu)，它會對這個Cc放大。就是說，從out端看進(jìn)去，Cc是本征值；而從輸入端IN看進(jìn)去，則是K倍的Cc值（當(dāng)K=100時，則Cc=5pF）。這個K系數(shù)就是當(dāng)?shù)毓茏拥碾妷悍糯蟊稊?shù)（對MOS管而言），或是電流放大倍數(shù)（對雙極管而言）。這個Cc就能做小了。

故miller效應(yīng)對運(yùn)算放大器很有用。但對MOSFET驅(qū)動極為負(fù)面。這也正驗(yàn)證了亙古不變的道理“任何事物都具有兩面性”。

MOS管生產(chǎn)加工過程中，勢必會引入Cgd、Cgs、Cds；Cgd會在MOS管的開啟/關(guān)斷過程中引入負(fù)反饋；即MOS管動態(tài)特性參數(shù)，

輸入電容 Ciss=Cgs+Cgd

輸出電容 Coss=Cds+Cgd

反向傳輸電容 Crss=Cgd(即米勒電容)

三

上/下預(yù)驅(qū)動器驅(qū)動電流（Iom+/Iom-）要求

在供電源能力有保障的前提下，并且假設(shè)在MOS管柵極上串聯(lián)的電阻RG（為克服SW點(diǎn)過沖／振鈴必須要加）為短路態(tài)，則下分析有參考價值：

對一個MOS管充/放電，可依據(jù)公式Q=I·t。Q在選定MOS管的PDF中可查到。一般用Qg,Qgs,Qgd表示，單位為nC,如表2所示：

結(jié)合Q=C·V，不難得出下式：

Ciss和Crss在選定MOS管PDF文件中都可查到，如表1所示。

對選定型號MOS管，為減小tr/tf，即減小動態(tài)功耗，Iom+/﹣應(yīng)該越大越好。但大多數(shù)三相自舉驅(qū)動器受管芯面積限制，Iom+/-均較單驅(qū)動器來得小。如果不作計(jì)算分析，隨意加一個不合適的RG，則MOS管的動態(tài)功耗就可能會較大。具體影響如下圖8所示

四

為什么高壓大功率應(yīng)用不宜使用自舉驅(qū)動

1、電荷關(guān)系式：Q=C·V，Q=I·t；

2、耐壓越高、功率越大，則結(jié)面積越大，即Cgs、Cds、Cgd越大；

3、功率側(cè)供電電壓越高，則Cgd上儲存的電荷量越大，因而需要前驅(qū)動器對其充電／放電的電荷量就越大；

4、由于自舉驅(qū)動的能量來源僅限于Cb，因而很難在工程折中；

5、假若不能對Cgd充飽／泄放干凈，不光是引發(fā)當(dāng)?shù)豈OS管熱功耗增大，還有可能引發(fā)上、下管有很大的穿通電流；

6、從這個意義上也能理解為什么同一個自舉驅(qū)動在有些工況下應(yīng)用正常，而在另一工況下就不正常的原因。

五

隔離驅(qū)動電路供電原理

隔離驅(qū)動由集成隔離式柵極驅(qū)動及隔離電源組成，具體工作原理如圖9所示

隔離對于柵極驅(qū)動器非常重要，不僅可以保護(hù)系統(tǒng)免受高壓影響，更重要的是隔離輸出接地點(diǎn)靈活，控制芯片與驅(qū)動可接不同的接地點(diǎn)，不易受雷擊與浪涌影響，抗干擾能力強(qiáng)。

六

高端驅(qū)動隔離供電

從前面的討論不難看出，由于實(shí)際應(yīng)用時，PWM可能的頻率變化，最小最大占空比限制，以及電機(jī)可能的堵轉(zhuǎn)／換相，高端驅(qū)動采用隔離供電無疑是最優(yōu)選項(xiàng)。

DC/DC的隔離電壓一般都有保障。但其CMTI指標(biāo)則千差萬別。

所謂的CMTI(Common-Mode-Transient-Immunity）是指隔離抗共模瞬變的免疫能力。一般以KV/us為單位。它其實(shí)是衡量一個隔離器件抗擾度的指標(biāo)。很重要，但實(shí)際選型時往往被忽略。

一個隔離DC/DC的CMTI指標(biāo)好壞，受變壓器繞制方法，內(nèi)部元器件布局、輸入輸出引腳的爬電距離等因素影響。簡單說，受輸入輸出等效的電容影響。

假如把一個DC/DC的輸入輸出引腳分別短路在一起，用電容表測得的電器≥150pF(@f=1MHz）時，該DC /DC的CMTI指標(biāo)會很差，不適合三相橋的高端供電。這是因?yàn)楦叨蓑?qū)動的參考點(diǎn)是SW點(diǎn)。它的電位是在PGND和Power上來回?cái)[的，尤其是當(dāng)功率側(cè)供電電壓比較高時，會通過DC//DC原次邊的寄生電容反饋到輸入側(cè)的干擾非常大，DC//DC的正常工作會受到影響。

注意，有些DC//DC在設(shè)計(jì)時，為了壓輸出紋波和改善VIN端的電磁兼容性，會在輸入地，輸出地，殼地之間加C1、C2兩個電容。這種結(jié)構(gòu)的DC//DC絕對不能用于高端驅(qū)動使電用。

上圖中的CISO是輸入輸出之間的寄生電容。

七

驅(qū)動SiC-MOSFET的特殊性

SiC-MOSFET屬于第三代功率半導(dǎo)體器件。具有高功率密度、耐壓高、耐高溫及抗輻射電遷移等優(yōu)點(diǎn)，特別適合惡劣環(huán)境。

然而其缺點(diǎn)也很明顯。由于其禁帶寬度比硅基的寬，其正向跨導(dǎo)Gfs就小，導(dǎo)致為減小靜態(tài)損耗，加在柵極上的電壓VGS就得大。另外，它的Crss比較大，miller效應(yīng)就比較大，致使開啟或關(guān)閉需要的電荷量Q就大。因此在使用時必須采用miller鉗位，或者負(fù)壓關(guān)斷來解決。

SiC-MOSFET仍屬于壓控型器件，所需要的靜態(tài)驅(qū)動電流很小。由于寄生電容的存在，開通過程就是寄生電容充電過程；相反，關(guān)斷過程就是寄生電容的放電過程。在感性負(fù)載下的開關(guān)過程如圖11所示，以開通過程為例，該過程可以分為：延時階段、電流上升階段、米勒階段和過驅(qū)動四個階段。關(guān)斷過程與開通過程基本相同，只是時間順序相反。

通過對SiC-MOSFET器件特性和開關(guān)過程的分析可知，工作在高頻的SiC-MOSFET驅(qū)

動電路必須具備以下特點(diǎn):

(1)驅(qū)動電壓波形的上升沿和下降沿要足夠陡，從而增大開關(guān)速度，減小開關(guān)損耗；

(2)驅(qū)動電路要提供足夠大的瞬時電流，縮短輸入電容充電時間；

(3)驅(qū)動回路阻抗要適宜，回路阻抗太小容易造成驅(qū)動回路諧振，可能造成誤導(dǎo)通或通

態(tài)電阻較大，回路阻抗太大會減緩輸入電容充電時間，延長開關(guān)速度，增加開關(guān)損耗；

(4)柵極驅(qū)動電壓要合理，柵極驅(qū)動電壓越高，感應(yīng)導(dǎo)電溝道越大，則通態(tài)電阻越小，

從而減小通態(tài)損耗；但柵極驅(qū)動電壓太大時，較小的諧振引發(fā)的電壓波動可能擊穿柵極氧化層，造成器件永久失效；

(5)驅(qū)動電路還要能夠提供負(fù)壓關(guān)斷，防止器件誤導(dǎo)通，同時也加速了關(guān)斷過程；

(6)驅(qū)動電路要緊靠被驅(qū)動器件，減小寄生參數(shù)對驅(qū)動電路性能的影響。

八

HJ393耐高溫SIC-MOSFET/IGBT隔離式驅(qū)動器

航晶微電子團(tuán)隊(duì)在充分了解應(yīng)用背景的情況下，在充分消化吸收以上原理的基礎(chǔ)上，通過四次迭代，依托自身穩(wěn)定的工藝平臺，于十年前推出的HJ393系列產(chǎn)品，業(yè)已批量應(yīng)用于高壓大功率SiC-MOSFET/IGBT應(yīng)用。

其原理為將供電、PWM輸入信號與SiC-MOSFET的浮柵驅(qū)動進(jìn)行隔離。隔離開通正電壓≥+15V，有利于補(bǔ)償SiC-MOSFET正向跨導(dǎo)小的缺陷，減小RON；隔離關(guān)斷負(fù)電壓≤-3.5V，有利于克服SiC-MOSFET較大的miller效應(yīng)引入的誤導(dǎo)通。區(qū)別于自舉浮柵驅(qū)動，輸入PWM的占空比可達(dá)0～100%，這個特性使得它可用于高壓大功率SSPC設(shè)計(jì)。具體選型見下表3