an-978c-高压悬浮门驱动IC

(HEXFET是国际整流器公司的商标)目录页码高端器件的门驱动要求................................................................................................2典型结构图..................................................................................................................3如何选择自举元件........................................................................................................5如何计算MGD的功率损耗..........................................................................................6如何处理Vs引脚的负向瞬变........................................................................................9布线及一般注意事项....................................................................................................11如何提高门驱动电流以驱动模块..................................................................................14如何提供连续的门驱动................................................................................................17如何产生负的门偏置....................................................................................................19如何驱动降压转换器....................................................................................................22双正激转换器和开关磁阻电机驱动..............................................................................24带电流模式控制的全桥................................................................................................24无刷和感应电机驱动....................................................................................................26推挽式..........................................................................................................................27高端P-沟道..................................................................................................................27故障排除指导...............................................................................................................28作为高端开关（漏极跟高电压输入线相连，如图1所示）并在全增强（也就是说，两个端子之间有最低的压降）下驱动的门驱动要求可以总结如下：1.门极电压必须比漏极高出10V到15V。作为一个高端开关，这样的门电压必定比输入电压高，通常是系统可提供的最高电压。2.门极电压一定是通过逻辑信号控制的，而信号本身通常以地为参考。因此必须把逻辑控制电平转换到高端功率器件的源极。在多数情况下，这个电平会在输入和地之间变化。3.门极驱动电路所消耗的功率不应该明显地影响整体效率。图1:高端配置的功率MOSFET有了这些约束之后，目前有几种技术用来实现这个功能，如表格I原理所示那样（见29页）。每种基本电路可以由各式各样的方法实现。国际整流器公司的MOS门驱动器族（MGD）集成了大部分所要求的功能，将绝大部分用来驱动高压侧和低压侧的MOSFET或IGBT的功能都集成在一个紧凑、高性能封装里。对IRS2110来说，只要提供少数几个元件，就可以达到高速的开关频率，同时损耗很低。如表格II中所示（见30页）。它们可以通过自举或者悬浮电源的方式工作。在这种自举模式下使用，它们能工作于从数十赫兹到几百kHz范围的大多数应用。GATESOURCEV+高电压输入的典型结构，如图2所示。它包含了一个用于参考地功率晶体管的驱动电路，一个用于高端晶体管的驱动电路，电平转换器和输入逻辑电路。.图2:IRS2110的结构图图3:硅横截面显示了寄生电容VDDHINSDLINVSSRSRSVDD/VCCLEVELTRANSLATORANDPWDISCRIMINATORPULSEGENERATORUVDETECTDELAYVDD/VBSLEVELTRANSLATORPULSEDISCRIMINATORCd-subCb-subUVDETECTLATCHLOGICQQVBHOVSLO2COMMCBOOTVCCVRVDD/VCCLEVELTRANSLATORANDPWDISCRIMINATOR高端CMOSLDMOS(电平转换器)p+n+n+p-wellpn-pCb-subp+pn+n+n+pn-Cd-subp+p-COM兼容输入逻辑控制，转换门限因器件不同而不同，一些MGD（譬如IRS211x）有着与逻辑供电VDD（3到20V）成比例的转换门限，为了接受长上升沿信号，施密特触发器需要滞后10%VDD。而其他MGD（譬如IRS210x，IRS212x，以及IRS213x器件）有着从逻辑0到逻辑1的固定过渡，通常在1.5V到2V之间。一些MGD只能驱动一个高端功率器件（譬如，IRS2117，IRS2127和IRS21851），其它的能驱动一个高端和一个低端功率器件，一些可以驱动三相桥（譬如，IRS213x和IRS263x系列）。但并不是说任何高端驱动器都可以驱动低端器件。有些有着两个门驱动通道的MGD，它们的输入可以是两个相互独立的输入信号，也可以是有互补逻辑以及死区设置的单个输入。有些应用需要用到死区，那么应该使用带有集成死区时间（半桥驱动器）或者高端和低端驱动器与无源器件相结合的MGD来提供所需的死区时间，如12节所示。通常，对于导通时和关断时（温度依赖数据手册所描述那样）的两个通道来说，输入与输出之间的传输延迟大约是一样的。对于一些正逻辑关断的MGD（譬如，IRS2110）来说，输出将内部被关断。关断时间由关断脚上的脉冲宽度决定。移除关闭信号之后的第一个输入信号将清除闭锁并且激活它的通道。这个闭锁关闭有助于逐周电流控制的简单实现，在12节作为例证。从输入逻辑来的信号将通过高抗干扰能力的滤波器耦合到单个通道。这允许逻辑电源参考地（VSS）相对于功率地（COM）有着±5V的变化。这个特点对于地的布线不理想的场合，有着很大的帮助。进一步的抗噪声手段是脉宽监控，它可以屏蔽掉小于大约50ns的脉冲。2.2低端通道驱动器的输出级可以由（源跟随器提供拉电流和灌电流）的两个n-沟道MOSFET的图腾来实现，也可以采用一个n-沟道和一个p-沟道CMOS反向器来实现。每个MOSFET可以吸收或者输出从0.12A到4A的门电流，取决于MGD。较低驱动器的源极是独立连接到COM引脚的，因此可以对功率器件的源极做直接连接，来返回门驱动电流，这种做法将在第5节看到。如果Vcc低于所规定的值（通常为8.6/8.2V），欠压锁定有效，进入欠压保护。当UV锁定释放时，在低端通道的输入引脚出现的任何脉冲都能够使功率晶体管导通，而这个过于与高端通道不同，我们将在下一小节中可以看到。2.3高端通道这个通道被做进了一个“隔离井”内，它能相对于功率地（COM），从500V或者1200V浮动至-5V。这个井在VS电压下“浮动”。通常，这个引脚连接到高端器件的源极，如图2所示，并且在两个母线和地之间变化。之间连接着一个隔离电源，那么高端通道的输出将根据输入信号在该电源的正端与悬浮地之间变化。MOS管的一个重要特点就是它们的电容输入特性（也就是通过供应电荷到门极而不是连续电流让它们导通的事实）。如果高端通道正在驱动一个这样的器件，那么隔离电源可以由自举电容取代，如图2所示。高端MOSFET的门电荷是由自举电容提供的，当器件关断时，在这段时间内（假设在大多数应用中，在这段时间里VS变化到0），该电容由15V电源通过自举二极管进行充电。因为这个电容是从一个低电压源进行充电，所以驱动门极所消耗的功率很小。高端通道的输入信号必须从COM电平转换到井可以浮置的电位，它可以高达1200V。如图2所示，开关信号的上升和下降沿是以窄带脉冲的形式进行传输的。它们通过一个以悬浮电位为参考的置位/复位触发器来锁定。使用脉冲的方式可以大大降低了跟电平转换器相关的功率消耗，脉冲鉴别器过滤了VS节点上出现的快速dv/dt瞬态中的设置/复位脉冲，从而功率器件中高达50V/ns的开关速率不会反过来影响MGD的工作。这个通道有着它自己的欠压锁定，如果VB与VS之间的电压（也就是说，上面推拉式上的电压）低于它的限制，这个欠压锁定会阻止门驱动。在某个细节上，UV锁定的工作与VCC上的锁定不一样，UV锁定后的第一个脉冲释放通道，并改变了输出状态。高电压电平转换器是设计来适当的工作，即使当VS节点通过一个手册中所指定的电压（通常是5V）来变化到COM引脚以下，这是由于低功率二极管的快速恢复或者由LdI/dt感应的电压瞬态而导致的。第5节将对如何来限制负电压瞬态来给予指导。2.4电源钳位很多MGD具有集成的20V或者25V电源钳位特点，从而来防止电源的瞬态冲击。超过钳位电压一段时间后将对控制IC产生不可修复的损害。3.如何选择自举元件如图2所示，自举二极管和电容是仅有在PWM应用中严格要求的外部元件。VCC（和数字）供电上的局部去藕电容用来补偿电源线的电感是很有用的。自举电容上施加的电压只是VCC电源，它的容量由以下因素来决定的：1.要求来增强MGT的门电压2.用于高端驱动器电路的IQBS–静态电流3.电平转换器的内部电流4.MGT-栅-源正向漏电流5.自举电容漏电流仅与自举电容是电解时有关，如果采用其他类型的电容，则可以忽略。因此，尽可能使用非电解电容。关于自举元件选择方面