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閘極驅動器電源需求

在高功率的轉換器應用中,無論是直流轉交流的轉換器或交流轉直流的逆變器,通常都是使用半橋或全僑的電路架構,如圖1所示。常見的開關元件為IGBT與MOSFET、SiC以及GaN。如果轉換器是電壓較高的應用,上臂開關驅動器就必須與地隔離。另外,驅動器與驅動器電源必須具備低隔離電容,避免漏電流造成溫度影響,以及主動開關切換時的雜訊造成系統誤動作。另外,在馬達驅動器應用,絕緣距離的需求也必需要納入考量。

選用不同的開關元件時,也必須注意相對應的驅動電壓以及功率,因此,本篇文章主要討論如何選擇驅動開關元件所需供給的電源。

 

1. 開關驅動方式

在討論開關的啟動之前,首先要先了解開關的基本特性,接著以N-MOSFET做為範例。如圖2(a)所示,MOSFET的閘極(gate)、汲極(drain)、源極(souce)存在著寄生電容,一般在MOSFET的規格書中,會是以表1的Ciss、Crss與Coss三個參數表示。

  • Ciss為輸入電容,是Cgs和Cgd加起來的電容,如果要導通MOSFET必須將對此電容充電,所需要的電荷量則是Qgate
  • Coss為輸出電容,是Cds和Cgs加起來電容,如果要使MOSFET關閉,必須要等Coss中所儲存的電荷釋放完畢。

Crss反向轉移電容,當Crss偏大時對切換速度有極大影響。而驅動所必要的電荷量就是Qgd

表1 MOSFET 寄生電容參數
Capacitances Designation
Ciss Cgs+Cgd Input capacitance
Crss Cgd Reverse transfer capacitance
Coss Cds+Cgd Output capacitance

 

圖2(b)是開關的簡易啟動波形示意圖,基本上可以分成5個階段

  • t0: 控制訊號先對Cgs充電,此時Vgs電壓低於Vgs(th),MOSFET尚未導通。
  • t1: 控制訊號持續對Cgs充電,當Vgs電壓到達Vgs(th)時,MOSFET開始導通,但尚未完全導通。
  • t2: 控制訊號持續對Cgs充電,Vgs電壓維持在Vgs(pl),MOSFET的Vds電壓快速的下降。
  • t3: 控制訊號對Cgd充電,此時Vgs電壓維持在Vgs(pl),此時MOSFET接近導通。
  • t4: 控制訊號對Cgs充電,Vgs電壓大於Vgs(pl),此時MOSFET完全導通,

由上述可知,如欲將MOSFET導通,在必須對MOSFET輸入電容(Ciss)充電,過程中分別對Cgs與Cgd充電,啟動的總能量為Qgate。MOSFET截止的過程與導通相反,必須將輸入電容(Ciss)中的電能移除。

 

2. 常見驅動電壓

表2為常見的開關驅動電壓,閘極驅動的正電壓應足夠高,以確保開關完全導通,且要注意不得超過閘極最大電壓。一般而言+12V會是驅動Si-MOSFET,+15V常用在驅動IGBT或SiC,GaN常使用+5V驅動。

對開關元件而言,閘極電壓為0V時,已經滿足截止的條件。但在實際應用上,常會外加負電壓,一方面是加速開關進入截止,但最主要的是避免開關誤動作。原因是,開關與驅動器的參考電位,實際應用上PCB有雜散電感與電容,在開關切換時,雜訊可能會影響到驅動器的閘極。開關的Vgs(th)在MOSFET、SiC與GaN很低,如果有超過1V的雜訊就有機會導通,造成上下臂開關短路,可能造成開關損壞。因此,在閘極外加負電壓可以減輕這個現象。

表2 常見的開關驅動電壓
  IGBT Si-MOSFET SiC GaN
Turn on Vol. +15V +10V to 20V +15V to 20V +5V to +6V
Turn off Vol. -5V to -15V 0V to -2V -2V to -5V 0V to -3V
Common Drive Voltage +15V/-9V +12V/0V +15V/-3V +5V/0V
+15V/-5V - +15V/-5V +6V/-3V

 

  1. 應用線路與計算方式

圖3為隔離驅動器,主要由隔離驅動器、隔離電源以及開關所組成。在設計時,第一步要先確認的就是開關元件的規格,再來是隔離驅動器的驅動電流,最後是選用適合的隔離電源。

  • Rg: 在隔離驅動器與開關閘極之間,通常會串接電阻,以限制開關的導通速度,計算方式如下

IGP, source與IGP, sink是隔離驅動器的驅動與回收能力。

Rg-int是開關元件的閘極電阻。

  • Co: 隔離電源的輸出電容,主要用來提供隔離驅動器瞬間驅動電流,計算方式如下

Qgate為開關元件的驅動總能量。

Vgate+為隔離電源的輸出正電壓,Vgate-為負電壓。

Vdrop為輸出電壓降。

  • Piso: 隔離電源輸出功率。主要供電給隔離驅動器以及啟動開關。

Pdriver IC是隔離驅動器的能量需求。

Fsw是系統的操作頻率。

 

4. 實際範例

範例1使用infineon的Si-MOSFET,型號為IPA95R450P7,並使用圖3的參考線路,實際計算所需要的參數

1. 使用的隔離驅動器的IGP, source=6A與IGP, sink=4A,Rg-int為1Ω。預計的驅動電壓為Vgate+=12V,Vgate-=-2V。透過以上資訊,可以計算Rg+與Rg-

建議Rg+至少要放1Ω,Rg-可以放0Ω。

2. 假設隔離轉換器的輸出電壓降,最多不能超過0.2V,Qgate為35 nC,即可計算轉換器輸出電容

建議輸出電容Co+與Co-都放0.47uF到1uF。

3. 假設隔離驅動器的功耗為0.5W,開關的Qgate為35 nC,操作頻率為100kHz,驅動電壓為Vgate+=12V,Vgate-=-2V,即可計算轉換器輸出功率

建議使用1W的隔離轉換器。

 

範例2使用infineon的IGBT,型號為AIKW75N60CT,並使用圖3的參考線路,實際計算所需要的參數

1. 使用的隔離驅動器的IGP, source=6A與IGP, sink=4A,Rg-int為0Ω。預計的驅動電壓為Vgate+=15V,Vgate-=-9V。透過以上資訊,可以計算Rg+與Rg-

建議Rg+至少要放2Ω,Rg-至少要放2.25Ω。

2. 假設隔離轉換器的輸出電壓降,最多不能超過0.3V,Qgate為470 nC,即可計算轉換器輸出電容

建議輸出電容Co+與Co-都放2.2uF。

3. 假設隔離驅動器的功耗為0.5W,開關的Qgate為470 nC,操作頻率為30kHz,驅動電壓為Vgate+=15V,Vgate-=-9V,即可計算轉換器輸出功率

建議選用1W到1.5W的隔離轉換器

 

5. 結論

不同的開關元件有相對應適合的驅動電壓,透過上述的公式與步驟,選擇適合的驅動器即可計算出閘極電阻、轉換器輸出電容以及轉換器輸出功率。如果,應用的環境為馬達驅動器,則必須要考量絕緣距離的需求,可以參考IEC 61800中的絕緣距離要求。

 

 

 

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