柵極驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)用于放大來(lái)自微控制器或其他來(lái)源的低電壓或低電流的緩沖電柵極驅(qū)動(dòng)器的原理及應(yīng)用分析用中，微控制器輸出通常不適合用于驅(qū)動(dòng)功率較大的晶體管。

GBT/功率MOSFET的結(jié)構(gòu)使得柵極形成一個(gè)非線性電容。給柵極電容充電會(huì)使功率器件導(dǎo)通，并允許電流在其漏極和源極引腳之間流動(dòng)，而放電則會(huì)使器件關(guān)斷，漏極和源極引腳上就可以阻斷大電壓。

當(dāng)柵極電容充電且器件剛好可以導(dǎo)通時(shí)的最小電壓就是閾值電壓(VTH)。為將IGBT/功率MOSFET用作開(kāi)關(guān)，應(yīng)在柵極和源極/發(fā)射極引腳之間施加一個(gè)充分大于VTH 的電壓。

考慮一個(gè)具有微控制器的數(shù)字邏輯系統(tǒng)，其I/O引腳之一上可以輸出一個(gè)0 V至5 V的PWM信號(hào)。這種PWM將不足以使電源系統(tǒng)中使用的功率器件完全導(dǎo)通，因?yàn)槠溥^(guò)驅(qū)電壓一般超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)CMOS/TTL邏輯電壓。

過(guò)去，使用雙極結(jié)型晶體管(BJT)圖騰柱驅(qū)動(dòng)低側(cè)配置中的電源開(kāi)關(guān)。但是，由于柵極驅(qū)動(dòng)器IC的諸多優(yōu)勢(shì)及其附加特性，它日益取代了這些分立式解決方案。典型BJT圖騰柱配置與典型柵極驅(qū)動(dòng)器IC。

分立式電路的一個(gè)顯著缺點(diǎn)是它不提供保護(hù)，而柵極驅(qū)動(dòng)器IC集成了對(duì)于確保可預(yù)測(cè)和穩(wěn)定的柵極驅(qū)動(dòng)非常重要的功能。相比之下，BJT圖騰柱允許MOSFET產(chǎn)生壓降，但漏極電流會(huì)顯著上升。電流上升會(huì)導(dǎo)致功耗過(guò)大，并可能損壞MOSFET。

上海數(shù)明HVIC柵極驅(qū)動(dòng)器SLM2304S用于驅(qū)動(dòng)最高600V的N溝道MOSFET或IGBT，兼容IR2304(S)系列，廣泛應(yīng)用于BLDC，大功率DC-DC電源，家電，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，逆變器等領(lǐng)域。

VS腳?產(chǎn)負(fù)壓的原因和對(duì)策

VS腳生產(chǎn)負(fù)壓的原因

自舉式電源是一種應(yīng)用廣泛，給高邊柵極驅(qū)動(dòng)電路供電的方法，用來(lái)驅(qū)動(dòng)高邊N溝道的MOS 或者IGBT。自舉式電源技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低的優(yōu)點(diǎn)，但也存在缺點(diǎn)，其一是占空比無(wú) 法做到100%，受到自舉電容刷新電荷所需時(shí)間，VBS欠壓保護(hù)閾值的限制，其二是會(huì)導(dǎo)致 開(kāi)關(guān)器件的源極看到負(fù)壓，可能導(dǎo)致HVIC的輸出錯(cuò)誤。

自舉式驅(qū)動(dòng)電路最大的難點(diǎn)在于：當(dāng)開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)，其源極 的負(fù)電壓會(huì)使負(fù)載電流突然流過(guò)續(xù)流二極管，如圖 1所示。該負(fù)電壓會(huì)給柵極驅(qū)動(dòng)電路的輸出端造成麻煩，因?yàn)樗苯佑绊戲?qū)動(dòng)電路或 PWM 控制集成電路的源極 VS 引腳，可能會(huì)明顯地將某些內(nèi)部電壓下拉到地以下，如圖 2所示。另外一個(gè)問(wèn)題是，自舉電容 CBOOT，通過(guò)自舉二極管 DBOOT， 被電源 VDD 瞬間充電。由于 VDD 電源以地作為基準(zhǔn)，自舉電容產(chǎn)生的最大電壓等于VDD 加上源極上的負(fù)電壓振幅，可能會(huì)使自舉 電容處于過(guò)壓狀態(tài)，會(huì)有打壞電容甚至導(dǎo)致芯片VB/HO被打壞，短路到VS的風(fēng)險(xiǎn)。所以設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減小VS的負(fù)壓。

圖1 半橋應(yīng)用電路

圖 2 關(guān)斷期間的 VS 波形

圖 3 DC-DC 電源

圖 4 關(guān)斷期間的波形

如圖 3 所示，低邊續(xù)流二極管的前向偏置是已知的將 VS 下拉到 COM(地) 以下的原因之一；圖 4 描述了高邊 N 溝道 MOSFET 關(guān)斷期間的電壓波形。主要問(wèn)題出現(xiàn)在整流器換向期間，僅僅在續(xù)流二極管開(kāi)始箝壓之前。在這種情況下，電感 LS1 和 LS2 會(huì)將 VS 電壓壓低到 COM 以下，該負(fù)電壓的振幅是:

VS?COM=?(VRBOOT +VFDBOOT)?(LS1+LS2)di/dt

（1）

從等式（1）可以看到，該負(fù)電壓的放大倍數(shù)正比于寄生電感和開(kāi)關(guān)器件的關(guān)斷 速度， di/dt ;它由柵極驅(qū)動(dòng)電阻， RGATE 和開(kāi)關(guān)器件的輸入電容，Ciss 決定。Ciss 是 Cgs 與Cgd 的和，稱(chēng)為米勒電容。

如何降低 VS 負(fù)壓？

? layout 上減小寄生電感 LS1/LS2

? 降低開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)速度

? 在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)串一個(gè)小電阻，如下圖中的 RVS 電阻（幾歐姆以?xún)?nèi)），接自舉電容后再到，和自舉電容形成 RC 濾波，可以限制 VS 腳的下沖電壓。不過(guò)需要注意這個(gè)電阻串在開(kāi)關(guān)器件開(kāi)啟和關(guān)閉的路徑上，計(jì)算門(mén)級(jí)電阻時(shí)需要考慮此阻值

? 如在 VS 串電阻后仍不足以限制 VS 負(fù)壓，則可以在靠近 SLM2304S 芯片的 COM 和 VS腳之間并聯(lián)一個(gè)快恢復(fù)二極管，朝向 VS，來(lái)鉗位 VS 的負(fù)壓

圖 5 閉鎖情況下的波輸入輸出形

如果 VS 下沖超過(guò)規(guī)格書(shū)中標(biāo)稱(chēng)的規(guī)格，則柵極驅(qū)動(dòng) IC 將損壞，或者高邊輸出暫時(shí)無(wú)法對(duì)輸入轉(zhuǎn)換做出響應(yīng)，如圖 5 和圖 6 所示。建議設(shè)計(jì)中留一定余量，保證系統(tǒng)的可靠性。圖 5 顯示閉鎖情況，即高邊輸出無(wú)法通過(guò)輸入信號(hào)改變。這種情況下，半橋拓?fù)涞耐獠俊⒅麟娫础⒏哌吅偷瓦呴_(kāi) 關(guān)中發(fā)生短路。圖 6 顯示遺漏情況，即高邊輸出無(wú)法對(duì)輸入轉(zhuǎn)換做出響應(yīng)。這種情況下，高邊柵極驅(qū)動(dòng)器的電平轉(zhuǎn)換器將缺少工作電壓余量。需要注 意的是，大多數(shù)事實(shí)證明高邊通常不需要在一個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作之后立即改變狀態(tài)。

圖 6 信號(hào)丟失情況下的波形

自舉電路的設(shè)計(jì)

選擇自舉電容值

自舉電容 (CBOOT) 每次都被充電，此時(shí)，低邊驅(qū)動(dòng)器導(dǎo)通，輸出電壓略低于柵極驅(qū)動(dòng)器的電源電壓 (VDD)。自舉電容僅當(dāng)高邊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的時(shí)候放電。自舉電容給高邊電路提供電源(VBS)，首先要考慮的參數(shù)是高邊開(kāi)關(guān)處于導(dǎo)通 時(shí)，自舉電容的最大電壓降。允許的最大電壓降 (VBOOT) 取決于要保持的最小柵極驅(qū)動(dòng)電壓 ( 對(duì)于高邊開(kāi)關(guān) )。如 果 VGSMIN 是最小的柵 - 源極電壓，電容的電壓降必須是：

ΔVBOOT = VDD ? VF ? VGSMIN

（2）

其中:

VDD= 柵極驅(qū)動(dòng)器的電源電壓

VF=自舉二極管正向電壓降計(jì)算自舉電容為：

CBOOT=QTOTAL/ΔVBOOT

（3）

其中 QTOTAL 是電容器的電荷總量。自舉電容的電荷總量通過(guò)等式 4 計(jì)算：

QTOTAL=QGATE+（ILKCAP+ILKGS+IQBS+ILK+ILKDIODE）*tON+QLS

（4）

其中:

QGATE = 柵極電荷的總量

ILKGS = 開(kāi)關(guān)柵 - 源級(jí)漏電流

ILKCAP = 自舉電容的漏電流

IQBS =自舉電路的靜態(tài)電流

ILK = 自舉電路的漏電流

QLS= 內(nèi)部電平轉(zhuǎn)換器所需要的電荷，對(duì)于所有的高壓 柵極驅(qū)動(dòng)電路

tON = 高邊導(dǎo)通時(shí)間

ILKDIODED = 自舉二極管的漏電流

另外一般的，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式粗略估算自舉電容值：

CBOOT>10*Ciss

選擇自舉電阻值

自舉電阻起到限制自舉電容充電電流的作用，可防止電容過(guò)充，特別在一些 VS 負(fù)壓較大的情況下，能降低 VS-VB 以及電容過(guò)壓的風(fēng)險(xiǎn)。該電阻典型值 5～10ohm，會(huì)增加 VBS 時(shí)間常數(shù)。當(dāng)計(jì)算最大允許的電壓降 (VBOOT) 時(shí)，必須考慮該自舉電阻引入的電壓降。如果該電壓降太大或電路不能提 供足夠的充電時(shí)間，我們可以使用一個(gè)快速恢復(fù)或超快恢復(fù)二極管。

自舉二極管的選擇

在高邊器件開(kāi)通時(shí)，自舉二極管必須能夠阻止高壓，并且應(yīng)是快恢復(fù)或超快恢復(fù)二極管，以 減小從自舉電容向電源VCC的回饋電荷。如果電容需要長(zhǎng)期貯存電荷時(shí)，高溫反向漏電流指 標(biāo)也很重要。一般建議自舉二極管的反向耐壓值和所選MOS/IGBT的電壓規(guī)格一致， trr<100ns.

VDD供電

VDD電壓一般在12～15V左右，輸入電容要靠近芯片VDD和COM腳。一般輸入電容配置為一 個(gè)電解（10～100uF）+100nF瓷片電容，電解電容提供能量，100nF瓷片濾波，吸收可能的 電壓尖峰。

邏輯輸入

一般的，邏輯輸入腳可以直接連接前級(jí)控制器的輸出。但如空間允許，或應(yīng)用環(huán)境干擾大且邏輯輸入高電平比較低（如3.3V），還是建議在邏輯輸入前加RC濾波，電阻串在控制器輸出和邏輯輸入之間，邏輯輸入腳對(duì)地并一個(gè)電容，如100R，100pF。

另外，需要注意一些MCU或者軟件中，如果輸入控制器只輸出高電平以及高阻態(tài)，低電平需 要靠HIN/LIN內(nèi)部的下拉電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)，則建議在HIN/LIN預(yù)留一個(gè)下拉電阻的位置。因SLM2304S HIN/LIN內(nèi)部下拉電阻為500K歐姆左右，在一些噪聲干擾比較大的應(yīng)用中，可能出現(xiàn)HIN/LIN被誤觸發(fā)高電平的情況，此時(shí)外部加一個(gè)10K以?xún)?nèi)的下拉電阻即可解決。

門(mén)級(jí)電阻值的選取

門(mén)級(jí)電阻在柵極驅(qū)動(dòng)路徑上會(huì)影響真實(shí)的驅(qū)動(dòng)電流，開(kāi)關(guān)損耗以及上升/下降沿，合適的阻值可以有效限制降低噪聲和振鈴，避免EMI問(wèn)題。理論上，驅(qū)動(dòng)輸出可以直接和開(kāi)關(guān)器件的gate直接連接，但如果沒(méi)有選取一個(gè)合適的門(mén)級(jí)電阻值，由于layout和和器件本身的寄生電 感，電容，高速的dv/dt，di/dt，體二極管的反向恢復(fù)時(shí)間等因素，會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電路面臨EMI， 以及高度dv/dt導(dǎo)致的共通等問(wèn)題。

圖7

圖8

圖7，圖8兩圖分別為驅(qū)動(dòng)電路元件示意圖以及等效電路圖，門(mén)級(jí)電阻值RGATE可以通過(guò)如下 步驟計(jì)算：

LS=1/[CISS*(2pifR)2]

(6)

RG=XL/Q=w*LS/Q=1/(CISS*2*pi*fR*Q)

(7)

LS是柵極驅(qū)動(dòng)線路上的寄生電感Ciss=CGS+CGD，規(guī)格書(shū)可查fR 是 RGATE=0 時(shí) 實(shí) 測(cè) 出 來(lái) 的 VS 振 鈴 頻 率 ， 如 下 示 意 圖 9，fR 測(cè) 得 為 3.75MHz RG=RGATE+ROH or LO+RG,I,ROH or LO是HVIC輸出級(jí)上拉/下拉電阻值，規(guī)格書(shū)可以查， RG,I是開(kāi)關(guān)器件內(nèi)寄生的柵極網(wǎng)狀電阻，一般在～1歐姆左右，較小可忽略，部分規(guī)格書(shū)中沒(méi)有提到此參數(shù)Q是諧振電路中的Q值，一般取值0.5～1之間，Q越小，RGATE越大，柵極電壓上升/下降越 慢根據(jù)等式7，即可算出理論上的RGATE，但一般實(shí)際情況中，還需要在開(kāi)關(guān)速度，開(kāi)關(guān)器件 溫度，dv/dt，EMI等因素上折中，再確定合適的門(mén)級(jí)電阻值。

圖9 RGATE=0R

快關(guān)電路

如下圖，如希望快速關(guān)斷來(lái)提升效率，或擔(dān)心關(guān)斷太慢導(dǎo)致共通，則可以在輸出門(mén)級(jí)電阻并 一個(gè)開(kāi)關(guān)二極管+一個(gè)電阻的路徑，來(lái)提高關(guān)斷速度，此時(shí)關(guān)斷速度由二極管的反向恢復(fù) 時(shí)間決定，還可通過(guò)Rg（off）來(lái)調(diào)整關(guān)斷速度。

Rgs和Cgs的作?

Rgs一般選10K阻值，用作電荷泄放路徑，防止未工作時(shí)開(kāi)關(guān)器件GS之間電荷累計(jì)導(dǎo)致VGS過(guò)壓，打壞器件。Cgs一般可作預(yù)留，非必要器件，主要用來(lái)降低Cgd/Cgs比例，防止開(kāi)關(guān)過(guò)程中的米勒效應(yīng) 導(dǎo)致gate被Cgd耦合起來(lái)，半橋開(kāi)關(guān)器件共通，鉗住gate電壓。該電容若需要的話，典型值 一般在1～2.2nF，注意如果太大會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)器件開(kāi)啟慢，開(kāi)關(guān)損耗大，器件溫度變高。

PCB 布局?線建議

考慮所有功率開(kāi)關(guān)的配合放置，減少驅(qū)動(dòng)輸出線路以及開(kāi)關(guān)器件電流路徑，走線長(zhǎng)度CVDD/CBOOT 去耦電容和柵極電阻的布局和布線，應(yīng)盡可能靠近驅(qū)動(dòng)芯片管腳避免互連鏈路。它會(huì)顯著增加電 降低封裝體距離 PCB 板的高度，以減少引腳電感效應(yīng)自舉二極管應(yīng)盡可能靠近自舉。

SLM2304S有兩路輸入，HIN和LIN，分別控制高邊輸出HO以及低邊輸出LO。HIN和HO同相 位，LIN和LO同相位。為防止輸入控制出錯(cuò)，例如輸入同為高，輸出也同為高，從而導(dǎo)致MOS/IGBT共通的情況，SLM2304S采用了互鎖設(shè)計(jì)，即當(dāng)兩路輸入均為高時(shí)，輸出均為低， 確保輸出端的安全。當(dāng)然，如果客戶的應(yīng)用就是需要輸出HO和LO同為高的情況，我們推薦 去掉了互鎖功能的SLM2106B來(lái)滿足這類(lèi)特殊的應(yīng)用。