低频和直流操作的栅极驱动注意事项

大家好。 我是德州仪器HPD的应用工程师 Richard Herring。 该演讲是针对低频和DC操作的 栅极驱动考量。 以下是一些关于我的背景信息。 我毕业于德州农工大学。 我在计算、电信和嵌入式电力电子领域 有超过20年的经验。 自从加入德州仪器后，我 我在返驰控制器、LED照明 和大功率栅极驱动器领域有系统和应用工程方面的经验。 半桥栅极驱动被用于多种 低频应用。 该话题将会涵盖半桥栅极驱动器， 尤其是低频和DC形式的 高端浮动栅极驱动。 我们将讨论典型的低频 应用，浮动高端偏置和设计指南方面的 问题。 确保在TI.com查看HPD栅极驱动器页面。 我们将讨论下述话题， 我们将从一些典型的低频半桥驱动器应用 开始。 半桥驱动器的常见应用是 感应加热器。 主要模块包括EMI滤波器、PFC阶段 和驱动感应线圈的DC到AC逆变器。 在这个示例中，这是一个全桥转换器阶段 带有隔离和电源变压器。 你可以看到逆变器桥需要高端浮动驱动器 来满足高端电源设备。 逆变器驱动谐振负载 以最大化加热器线圈中的电流。 这些应用中的一些 工作于大约2千赫兹的开关频率。 半桥栅极驱动器的另一个常见应用 是多种终端产品的电机驱动。 主要模块包括EMI滤波器、PFC阶段和 DC到AC逆变器。 在这个例子中，图腾柱PFC 随一个三相电机驱动逆变器一同显示。 你可以看到有六个高端功率设备需要 浮动高端驱动器。 VFD可以在低频运行， 并在减速和制动期间有较长的导通时间。 在高端驱动器自举偏置的图表中， 你可以看到自举二极管被连接到VDD和HB 引线。 HB电容在HS降低时充电。 但LO驱动器升高时，HS节点 下降，这为HB电容提供了 充电途径。 HB电容充电电流 来自VDD电容器。 VDD和HB偏置都有UVLO延迟。 HS必须降低，HB电容才能充电。 在大多数情况下，LO必须切换，HS才能降低。 在时间图表中，这是一个典型的半桥启动 序列。 你可以看到，低端在HB到HS偏置上升前 就切换了。 且在HO能切换前有HB UVLO延迟。 高压半桥驱动器使用边界触发 电平转换器。 其好处是高压电平转换成本低以及 降低功率损耗， 这是相较于DC或高频调制电平转换器而言。 这里显示的是边界触发电平转换器和脉冲滤波器。 德州仪器驱动器提供强劲的电平转换器功能。 我们有70纳秒的脉冲以及 14纳秒的脉冲滤波器 来改善噪音湿度。 此外，还有6毫安的较高的 脉冲触发电流。 这也改善了dV/dt免疫力。 这是UVLO和死区时间逻辑之后的HI输入信号。 这两个信号是上升的边界电平转换器 脉冲以及下降边界脉冲生成器。 对于半桥驱动器启动序列，尤其是边界 触发电平转换器而言， 还有一些其他的考量。 HB到HS偏置必须高于UVLO阈值以及UVLO 延迟。 此外，HB到HS偏置必须超过 HI上升沿的UVLO延迟以触发HO。 该序列显示了HB UVLO延迟时间在HI 上升沿之前过期。 你可以看到UVLO延迟在 电平转换器导通脉冲之前就结束了。 在这个时间示例中，你可以看到上升沿 在UVLO延迟之前发生了， HO没有响应。 在HB UVLO之后，下一次上升将会 使HO响应。 这是关于高端偏置电容充电和放电 的例子。 C BOOt在低端导通期间充电。 该例子代表低端开关的 低占空比。 HB到HS电容从VDD充电 即当HS开关接近零压时。 HB-HS电容从下述组件放电； 充电一个MOSFET QG、栅极 驱动器HP静态电流、以及任何源极泄露。 避免低值源极电阻， 因为这会在长HO导通时间期间 严重影响HB偏置放电。 这里，我们将查看过程以 确定自举电容的值。 首先，根据VDD和VHB UVLO或 最小目标VGS电压确定 允许的HB到HS的V差。 从MOSFET总电荷、或QG，以及HB到HS的 静态电流和泄露电流 确定所需的总电荷。 从这些结果中，你可以确定最小的C BOOT 值。 让我们来看一个例子来计算C BOOT。 我们将看看UCC27712驱动器以及ST 26安培、 60伏特MOSFET，首先使用一个 20千欧姆的源极电阻。 VDD是12伏特。VDF是0.6。 在这个例子中，我们将把VGS最低值定位10伏特。 这会产生1.4伏特的可允许VHB降低。 使用2千赫兹的开关频率， 你可以看到Q TOTAL由于IBL泄露、IQBS静态电流 和来自RGS的电力产生的QG受到了 不小的影响。 计算得出的最小C BOOT是260毫微法每千赫兹， 以及HO 90%占空比。 在100赫兹开关频率的情况中， Q总量提升很大。 得出的C BOOT的最小值是4.3毫微法拉。 注意来自RGS的电流的重要性。 RGS的大小应只为处理MOSFET泄露而设置， 而非对开关节点的上升TBDT期间 的Miller电流的期望。 因为在这些条件下，栅极驱动器能够使 输出保持为较低。 VDD电容推荐大小为自举电容值 的10倍。 这是为了最小化 C BOOT放电期间的VDD放电。 使用高频X7R电容与 散装电容并联。 自举二极管应能快速恢复并且电容低 以避免HP电容放电。 自举电阻范围通常为2.2到10欧姆 ，且有VDD以及 自举二极管额定峰值电流。 对于DC或长HO导通时间，C BOOT实际上无法 被设置成能够维持HB偏置的值。 HB到HS需要隔离浮动偏置。 TI SN6501或6506是非常简单的解决方案。 它们是小型的现成的变压器， 可从Wurth Electronics购买到， 还有各种电压和隔离配置 可用。 确保在这种情况下， 你放置一个带有足够高 值的X7R电容来支持驱动器附近的 MOSFET QG。 你可以从Wurth Electronics看到SN6501的链接 以及可用的变压器。 这有针对汽车HVAC压缩机高压电机驱动器 的参考设计。 请在TI.com查看TIDA-01418。 对于低压电机驱动，例如48伏特汽车 或便携式电池工具， TI100到120电压桥驱动器， 例如LM5109B和六种Intervolt驱动器、 包括27710和UCC27712， 都很适合这些应用。