使用高压门极驱动芯片

设计指南

使用高压门极驱动芯片

目录

简介 (1)

自举电路 (2)

自举电容选择 (2)

考虑自举电路 (3)

门极电阻 (4)

门极开通电阻选取 (5)

开关时间 (5)

输出电压 斜率 (6)

门极关断电阻选取 (6)

寄生参数影响 (7)

COM 低于G round (Vss-COM) (8)

VS 低于 Ground (Vs-COM/VSS) (11)

Vs 和V out间电阻 (11)

Vs所需钳位二极管 (13)

PCB布板指南 (14)

高低电压间距 (14)

铺地 (14)

门极驱动回路 (14)

供电电容 (15)

走线和元件布放实例 (15)

简介

本文主要目的是祥述在应用高压门极驱动芯片驱动半桥时所可能遇到的最常见的问题及对策，应用实例是电机驱动。

下面的章节介绍：元件选取，如自举电路和门极开通、关断电阻等;半桥电路中的寄生元件及其影响，推荐了一些可能的解决方案。最后介绍了布线指南。

所有的推荐方案，除非特别指出，都是针对IR典型的自举供电式门极驱动芯片的。

自举电路

自举供电由一个二极管和一个电容组成，连接如图 1.

图 1: 自举供电示意图

这种方案的优势是简单且成本低，但是在占空比和导通时间方面会有局限，因为要求对自举电容反复充电放电。

正确的电容选择可以很大程度减小这种局限。

自举电容选择

选择自举电容, 首先要计算在上管导通时的最小电压降 (ΔV BS )。

若V GEmin 是维持上管开通的最低门极电压，那么BS 的压降应该满足以下条件:

CEon

GE F CC BS V V V V V −−−≤∆min 在此条件下:

−

>BSUV GE V V min V CC 芯片供电电压， V F 是自举二极管正向导通压降, V CEon 下管导通电压，V BSUV- 高端供电门限。如下我们考虑使得V BS 下降的因素:

−IGBT 开启所需门极电荷 (Q G );−IGBT 栅源漏电流 (I LK_GE );−浮动静态电流 (I QBS );−浮动漏电流 (I LK )

−自举二极管漏电流 (I LK_diode );

−自举二极管前向导通时的压降(I DS- )−内部高压切换所需电荷 (Q LS );−自举电容漏电流 (I LK_CAP );−

上管导通时间(T HON ).

bootstrap diode

bootstrap resistor motor

V CC

I LK_CAP 仅在使用电解电容时出现，而在使用其他类型电容时可以忽略.强烈推荐至少使用一个低ESR 的陶瓷电容 (电解电容和陶瓷电容并联是很有效的方案).那么:

HON

DS CAP LK DIODE LK LK QBS GE LK LS G TOT T I I I I I I Q Q Q ⋅+++++++=−)(___自举电容最小容值是:

BS

TOT BOOT V Q C ∆=

min 实例如下:

a)使用25A @ 125C IGBT (IRGP30B120KD)和半桥驱动芯片(IR2214):•I QBS = 800 µA (数据表 IR2214);

•I LK = 50 µA (数据表 IR2214);

•Q LS = 20 nC;•Q G = 160 nC (数据表 IRGP30B120KD);•I LK_GE = 100 nA (数据表 IRGP30B120KD);•I LK_DIODE = 100 µA (反向恢复时间<100 ns);•I LK_CAP = 0(陶瓷电容忽略此项);•I DS- = 150 µA (数据表 IR2214);

•T HON = 100 µs.

And:•V CC = 15 V •V F = 1 V

•V CEonmax = 3.1 V •

V GEmin = 10.5 V 最大电压压降 ΔV BS 是

V V V V V V V V V V CEon GE F CC BS 4.01.35.10115min =−−−=−−−≤∆自举电容容值满足以下条件:

nF

V

nC

C BOOT 7254.0290=≥

注释:

1.以上V CC 选取为15V. 一些IGBT 需要更高的供电，那么就调整公式中的Vcc.

2.这种自举电容的选取没有考虑占空比或选取没有考虑PWM 占空比或电流频率.仅仅

考虑了上管浮动开通一次时所需要的门极电荷.

若考虑了PWM 占空比, 自举电路选取时PWM 调制模式(6步，12步, 正弦波) 须加以考虑.

考虑自举电路

a.电压 纹波

三种情况可能发生在自举电容充电的过程中 (见图 1):

∙I LOAD < 0; 负载电流从下管流过，饱和压降为V CEon

CEon

F CC BS V V V V −−=这种情况下V BS 最低. 这代表自举电容选取最糟的情况. 当IGBT 关断时Vs 点被负载电流抬高，直到上管寄生二极管再次导通。∙I LOAD = 0; 下管未开通，V CE 可忽略

F

CC BS V V V −=∙I LOAD > 0; 负载电流从寄生二极管流过

FP

F CC BS V V V V +−=这种情况有最高的V BS .

为减小欠压电压的风险, 自举电容应该按照I LOAD <0的情况选取.

b.自举电阻

电阻 (R boot )和自举二极管串联 (见图1)以限制自举电容刚开始充电时的电流.自举电阻的选取严格和V BS 的时间常数相关.给自举电容充电的最小开通时间必须被考虑.

c.自举电容

对于高T HON ，会使用坦电解电容电容, 它的ESR 必须纳入考虑. 此寄生电阻和R boot 形成分压关系，使第一次给 V BS 充电时产生电压阶跃. 电压阶跃和相应的速度(dV BS /dt) 必须加以限制.作为通常的准则, ESR 必须遵循以下公式:

V

V R ESR ESR

CC BOOT

3≤⋅+低ESR 的陶瓷电容和电解电容并联通常是最好的折衷, 陶瓷电容的作用是利用它的低ESR 来限制第一次充电时的电压阶跃，即限制dV BS /dt, 而坦电容的容值来减小V BS 电压变化ΔV BS .d.自举二极管

此二极管的反向耐压必须大于直流母线电压，并且反向恢复时间要够快 (trr < 100 ns)来减少在该时间内从自举电容向V CC 放掉的电荷.

门极电阻

被驱动管的开关速度由门极选取的电阻决定，该电阻控制门极开通和关断电流.以下部分介绍选取门极电阻的一些基本准则，总的门极电阻还包含芯片内部 的电阻 (R DRp 和R DRn 分别对应内部驱动的P 管和N 管).

例子使用IGBT 作为功率开关. 图 2为各种符号的定义。另外，V ge * 指平台电压电压, Q gc 和 Q ge 分别指开通IGBT 过程中，门极到集电极和门极到发射极所需电荷.