驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)（七）——自舉電源在5kW交錯(cuò)調(diào)制圖騰柱PFC應(yīng)用

隨著功率半導(dǎo)體IGBT，SiC MOSFET技術(shù)的發(fā)展和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，電平位移驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越廣，電壓從600V拓展到了1200V。英飛凌1200V電平位移型頸驅(qū)動(dòng)芯片電流可達(dá)+/-2.3A，可驅(qū)動(dòng)中功率IGBT，包括Easy系列模塊。目標(biāo)10kW+應(yīng)用，如商用HVAC、熱泵、伺服驅(qū)動(dòng)器、工業(yè)變頻器、泵和風(fēng)機(jī)。本文就來(lái)介紹一個(gè)設(shè)計(jì)案例，采用電平位移驅(qū)動(dòng)器碳化硅SiC MOSFET 5kW交錯(cuò)調(diào)制圖騰柱PFC評(píng)估板。

從設(shè)計(jì)上看，這是一個(gè)很好的工業(yè)應(yīng)用案例，涉及自舉電路用在中功率驅(qū)動(dòng)和工頻50Hz的驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用。

評(píng)估板的型號(hào)為EVAL-1EDSIC-PFC-5KW，是采用交錯(cuò)圖騰柱實(shí)現(xiàn)PFC的完整方案，三個(gè)半橋橋臂結(jié)構(gòu)，見(jiàn)下圖，兩個(gè)高頻橋臂的功率開(kāi)關(guān)采用650V 22mΩ的碳化硅MOSFET IMBG65R022M1H，一個(gè)低頻橋臂采用10 mΩ600V的CoolMOS S7 IPQC60R010S7。

CoolMOS S7是高壓SJ MOSFET，其針對(duì)RDS(on)優(yōu)化，用于低頻開(kāi)關(guān)。非常適合固態(tài)斷路器和繼電器、PLC、電池保護(hù)以及大功率電源中的有源橋式整流。

Si和SIC MOSFET驅(qū)動(dòng)都采用基于SOI技術(shù)電平位移驅(qū)動(dòng)芯片。

其中SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)采用電平位移驅(qū)動(dòng)芯片1ED21271S65F，它是4A 650V的大電流高壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器，帶過(guò)電流保護(hù)(OCP)、多功能RCIN/故障/使能(RFE)和集成自舉二極管(BSD)，DSO-8封裝。

CoolMOS S7的驅(qū)動(dòng)采用基于SOI技術(shù)電平位移驅(qū)動(dòng)芯片2ED2182S06F，它是2.5A 650V高速大電流半橋柵極驅(qū)動(dòng)器IC，集成自舉二極管，DSO-8封裝。

5kW交錯(cuò)調(diào)制圖騰柱PFC的設(shè)計(jì)，在230VAC半負(fù)載條件下，實(shí)現(xiàn)效率為98.7%，尺寸為218mm x 170mm x 60mm，即功率密度達(dá)到36W/in3。

所用器件：

■ EiceDRIVER 1ED21271S65F驅(qū)動(dòng)CoolSiC MOSFET

■ CoolSiC MOSFET IMBG65R022M1H

■ EiceDRIVER 2ED2182S06F驅(qū)動(dòng)CoolMOS

■ CoolMOS S7 SJ MOSFET 600V IPQC60R010S7

■ 控制器MCU: XMC 4200 Arm Cortex-M4

■ 輔助電源：ICE2QR2280G

SIC MOSFET驅(qū)動(dòng)

1ED21271S65F是2025年3月推出的最新產(chǎn)品，電壓為650V、輸出能力+/-4A的高邊柵極驅(qū)動(dòng)器，與其他產(chǎn)品相比，提供了一種更穩(wěn)健、更具性?xún)r(jià)比的解決方案。

設(shè)計(jì)采用英飛凌的絕緣體上硅（SOI）技術(shù)，1ED21x7x系列具有出色的可靠性和抗噪能力，能夠在負(fù)瞬態(tài)電壓高達(dá)-100V時(shí)芯片不壞。

可用于高壓側(cè)或低壓側(cè)高壓、大電流、高速功率管驅(qū)動(dòng)，即驅(qū)動(dòng)Si/SiC功率MOSFET和IGBT，擊穿電壓高達(dá)650V，輸出電流為+/-4A，傳播延遲小于 100ns。

1ED21x7x系列非常適合驅(qū)動(dòng)多個(gè)開(kāi)關(guān)并聯(lián)應(yīng)用，例如輕型電動(dòng)汽車(chē)中，基于1ED21x7x大電流柵極驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)，可在一個(gè)三相系統(tǒng)中節(jié)省多個(gè) NPN/PNP管和外部自舉二極管。

在圖騰柱PFC設(shè)計(jì)中，電感器過(guò)流保護(hù)是個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)，1ED21x7x提供簡(jiǎn)單、易于設(shè)計(jì)的電感器過(guò)流保護(hù)。

1ED21x7x的CS管腳功能強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)和短路I和短路II的保護(hù)。

短路I：指發(fā)生在功率開(kāi)關(guān)開(kāi)通之前，已經(jīng)處于短路狀態(tài)。

短路II：短路發(fā)生在功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)，這是更難保護(hù)的。

過(guò)流保護(hù)：1ED21x7x系列有兩個(gè)CS保護(hù)閾值可以選，0.25V和1.8V。0.25V設(shè)置通常與分流電阻一起使用，以實(shí)現(xiàn)過(guò)流檢測(cè)，低壓選項(xiàng)，可以盡量減少分流電阻上的壓降造成的損耗。對(duì)于褪飽和檢測(cè)，要選用1.8V，因?yàn)樗哂懈玫目乖肽芰Α?/p>

由于1ED21x7x系列集成了自舉二極管，外圍電路就顯得更簡(jiǎn)單，下圖的實(shí)際電路外接了一個(gè)600V高速二極管Db和一個(gè)5.1Ω電阻，自舉電容為1uf。這是為什么呢？

在《驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)（五）——驅(qū)動(dòng)器的自舉電源穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)》中強(qiáng)調(diào)了自舉電路會(huì)有電壓損失，造成上管驅(qū)動(dòng)電壓低于下管電壓，而SiC的RDS(ON)會(huì)隨著驅(qū)動(dòng)電壓降低而明顯增大，這是要在設(shè)計(jì)中避免的。

自舉電壓的損失主要貢獻(xiàn)是自舉電路中的自舉電路中的阻抗，VRboot由下面公式?jīng)Q定，選擇更小的外接電阻能降低自舉電壓的損失，外接5.1歐姆相比驅(qū)動(dòng)內(nèi)置的等效電阻35歐姆來(lái)說(shuō)小得多，零點(diǎn)幾伏的改善對(duì)SiC MOSFET的靜態(tài)損耗降低是非常有價(jià)值的。

注：IMBG65R022M1H的QG=67nC

1ED21x7x中的自舉電路參數(shù)

CoolMOS驅(qū)動(dòng)

EiceDRIVER 2ED2182S06F驅(qū)動(dòng)CoolMOS S7 SJ MOSFET 600V IPQC60R010S7時(shí)，就直接采用集成自舉二極管，自舉電容為33uf+100nf。

2ED2182S06F的靜態(tài)電流

由于低頻橋臂工作在工頻50Hz，按照《驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)（四）---驅(qū)動(dòng)器的自舉電源綜述》中的設(shè)計(jì)公式，進(jìn)行計(jì)算。由于頻率只有50Hz，驅(qū)動(dòng)器的靜態(tài)電流被放大了。它的效應(yīng)要比IPQC60R010S7的QG大一個(gè)量級(jí)，所以算出來(lái)的電容值就比較大，取33uf。

■ QG為功率開(kāi)關(guān)的柵極電荷 318nC (IPQC60R010S7)

■ Iq為相關(guān)驅(qū)動(dòng)器的靜態(tài)電流170uA（數(shù)據(jù)表中Quiescent VBS supply current）

■ Ileak為自舉電容的漏電流(只與電解電容有關(guān)，忽略)

■ fSW為功率管的開(kāi)關(guān)頻率50Hz

■ UCC為驅(qū)動(dòng)電源電壓

■ UF為自舉二極管的正向電壓

■ UCEsat為下橋臂功率管的電壓降

■S為余量系數(shù)

通過(guò)以上內(nèi)容，可以看到不能抄作業(yè)的自舉電路設(shè)計(jì)的兩個(gè)案例，結(jié)合之前系列文章中的知識(shí)點(diǎn)，讀者可以做驗(yàn)證性的設(shè)計(jì)。

英飛凌新開(kāi)發(fā)了一些功能強(qiáng)大的電平位移驅(qū)動(dòng)電路，把應(yīng)用場(chǎng)景拓展了，在合理的系統(tǒng)絕緣分配后，可以更積極采用電平位移驅(qū)動(dòng)電路、自舉電路來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)成本。