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使用说明书 AN-6076
1. 引言
本文讲述了一种运用于功率型 MOSFET 和 IGBT 设计高
性能自举式栅极驱动电路的系统方法,适用于高频率,
大功率及高效率的开关应用场合。不同经验的电力电子
工程师们都能从中获益。在大多数开关应用中,开关功
耗主要取决于开关速度。因此,对于绝大部分本文阐述
IN
V
HO
的大功率开关应用,开关特性是非常重要的。自举式电
VS
源是一种使用最为广泛的,给高压栅极驱动集成电路
(IC) 的高端栅极驱动电路供电的方法。这种自举式电源
技术具有简单,且低成本的优点。但是,它也有缺点,
图 1. 高端驱动集成电路的电平转换器
一是占空比受到自举电容刷新电荷所需时间的限制,二 2.2 自举式驱动电路工作原理
是当开关器件的源极接负电压时,会发生严重的问题。
本文分析了最流行的自举电路解决方案;包括寄生参
数,自举电阻和电容对浮动电源充电的影响。
2. 高速栅极驱动电路
2.1 自举栅极驱动技术
本节重点讲在不同开关模式的功率转换应用中,功率型
MOSFET 和 IGBT 对自举式栅极驱动电路的要求。当输
自举式电路在高电压栅极驱动电路中是很有用的,其工
作原理如下。当 VS 降低到 IC 电源电压 VDD 或下拉至地
时 (低端开关导通,高端开关关断),电源 VDD 通过自
举电阻, RBOOT,和自举二极管, DBOOT,对自举电容
CBOOT,进行充电,如图 2 所示。当 VS 被高端开关上拉
到一个较高电压时,由 VBS 对该自举电容充电,此时,
VBS 电源浮动,自举二极管处于反向偏置,轨电压 (低
端开关关断,高端开关导通)和 IC 电源电压 VDD,被 隔
离开。
入电平不允许高端 N 沟道功率型 MOSFET 或 IGBT 使用
直接式栅极驱动电路时,我们就可以考虑自举式栅极驱
RBOOT
DBOOT
??⑤
动技术。这种方法被用作栅极驱动和伴发偏置电路,两
VB
者都以主开关器件的源极作为基准。驱动电路和偏置电
路都在相对于器件源极的两个输入电压之间摆动。但
是,驱动电路和它的浮动偏置可以通过低压电路实现,
VDD
VDD HO Q1
CBOOT
VS
ILOAD
因为输入电压不会作用到这些电路上。驱动电路和接地
控制信号通过一个电平转换电路相连。该电平转换电路
COM LO
Q2
??
必须允许浮动高端和接地低端电路之间存在高电压差和
一定的电容性开关电流。高电压栅极驱动 IC 通过独特的
电平转换设计差分开。为了保持高效率和可管理的功
图 2. 自举式电源电路 耗,电平转换电路在主开关导通期间,不能吸收任何电
流。对于这种情况,我们经常使用脉冲式锁存电平转换
器,如图 1 所示。
? 2008 飞兆半导体 Rev. 1.0.0 ? 6/8/09
AN-6076 使用说明书
2.3 自举式电路的缺点 2.4 VS 引脚产生负电压的原因
自举式电路具有简单和低成本的优点,但是,它也有一
些局限。
如图 5 所示,低端续流二极管的前向偏置是已知的将 VS
下低到 COM (地)以下的原因之一。
占空比和导通时间受限于自举电容 CBOOT,刷新电荷所
需时间的限制。
主要问题出现在整流换向期间,仅仅在续流二极管开始
箝压之前。
这个电路最大的难点在于:当开关器件关断时,其源极的
负电压会使负载电流突然流过续流二极管,如图 3 所示。
在这种情况下,电感 LS1 和 LS2 会将 VS 压低到 COM 以
下,甚至超过如上所述的位置或正常稳态。
该负电压会给栅极驱动电路的输出端造成麻烦,因为它
该负电压的放大倍数正比于寄生电感和开关器件的关断
直接影响驱动电路或 PWM 控制集成电路的源极 VS 引
脚,可能会明显地将某些内部电路下拉到地以下,如图
4 所示。另外一个问题是,该负电压的转换可能会使自举
电容处于过压状态。
速度,di/dt ;它由栅极驱动电阻,RGATE 和开关器件的
输入电容, Ciss 决定。
Cgs 和 Cgd 的和,称为密勒电容。
自举电容 CBOOT,通过自举二极管 DBOOT,被电源 VDD
瞬间充电。
VCC
DBOOT
由于 VDD 电源以地作为基准,自举电容产生的最大电压
等于 VDD 加上源极上的负电压振幅。
??
IN
VB
VDC
CBOOT
Q1
??⑤
CDRV
VDD
HO
A B
RGATE
LS1
iLOAD
GND
VS
C C
VDD
VB
HO
Q1
催ッ?
LS2
D1
iFree
COUT
VOUT
HIN
HIN
iLoad
LIN
LIN
VS
ifree
图 5. 降压转换器
COM LO
Q2
????
图 6 描述了高端 N 沟道 MOSFET 关断期间的电压波形。
图 3. 半桥式应用电路
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