MOSFET 和 IGBT 栅极驱动器电路的基本原理学习笔记（五）交流耦合栅极驱动电路

交流耦合栅极驱动电路

1.计算耦合电容
2.耦合电容器的启动瞬变
3.总结

栅极驱动路径中的交流耦合可为栅极驱动信号提供简单的电平位移。交流耦合的主要作用是修改主MOSFET 的开通和关断栅极电压，而高侧栅极驱动则不同，它最需要关注的是缩小较大的电势差。在如 图31 所示的接地参考示例中，栅极驱动在 -VCL 和 VDRV-VCL 电平之间，而不是驱动器的初始输出电压电平 0V和 VDRV 之间。
电压 VCL 由二极管钳断网络决定，在耦合电容器上形成。此技术的优点是能够以简单的方法在开关关断时和关断状态下为栅极提供负偏置，从而提高 MOSFET 的关断速度并改善 dv/dt 抗扰性。这种折衷方法略微降低了开启速度，同时由于正驱动电压降低可能增加 RDS(on) 电阻。

交流耦合的基本元件是耦合电容器 CC 和栅源极负载电阻器 RGS。
该电阻器在上电过程中发挥着关键作用，可拉低栅极电压。这是唯一一种在启动时使 MOSFET 保持关断的机制，它的原理是在驱动器的输出端和器件栅极之间阻断耦合电容器的影响。此外，RGS 为耦合电容器上的电流提供了一个路径。如果没有这个电流分量，则不允许在 CC 上形成电压。从理论上来说，会在每个开关周期中提供数量相同的总栅极电荷，然后通过电容器移除，并且经过 CC 的净电荷为零。

相同的原理可应用于稳态运行，以通过电路中的 RGS 确定耦合电容器上的直流电压。假定没有钳位电路，电容器上的恒定 VC 电压、恒定占空比 D 和 RGS 的电流可表示为经过 CC 的附上电荷分量。

相应地，在 MOSFET 的开启和连续开通过程中通过耦合电容器提供的总电荷如 公式 33 所示。

对于开关的关断和连续关断时间也应遵循相同的注意事项，总电荷可按 公式 34 所示进行计算。

对于稳态运行，两种电荷必须相等。
通过求解 VC 的方程式，可确定耦合电容器上的电压。

这个为人所熟知的关系强调了占空比对耦合电容器电压的依赖性。随着占空比变化，VC 随之改变，且MOSFET 的开通和关断电压相应调节。按照 图 32 的示例，在低占空比周期中，关断过程中的负偏置减小，而在高占空比时，开启电压不足。

可使用与 RGS 并联的钳位电路来解决大占空比下开启电压不足的问题，如 图 31 所示。图 32 中还显示了对耦合电容器电压的影响。由于耦合电容器电压受到钳位限制，因此可确定栅极的最大负偏置电压。由于栅极驱动振幅不受交流耦合电路的影响，因此可确保整个占空比范围内的最低开启电压。

1.计算耦合电容

每个开关周期中经过 CC 的电荷量会以开关频率为基础在耦合电容器上形成交流纹波电压。显然，这种电压变化与驱动电压的振幅相比应保持较小的值。

可根据之前确定的电荷计算纹波电压，如 公式 36 所示。

考虑到 VC = D⋅VDRV，还可重新排列 公式 37 以获得所需的电容值。

此表达式表明在 D = 0.5 时为最大值。一条良好的经验法则是，将最差情况下的交流纹波电压振幅 (ΔVC) 限制为大约 VDRV 的 10%。

2.耦合电容器的启动瞬变

必须再定义一个参数，才能计算所需的最小耦合电容值。必须选择 RGS 的值。为了做出明智的决策，必须检查交流耦合电路的启动瞬变。

上电时，CC 上的初始电压为零。当驱动器的输出开始切换时，耦合电容器上的直流电压会逐渐上升，直至达到稳态值 VC。在 CC 上形成 VC 的持续时间取决于由 CC 和 RGS 决定的时间常数。因此，要同时实现耦合电容器的目标启动瞬变时间和特定纹波电压，必须同时计算两个参数。幸运的是，以下两个公式可计算这两个未知数：

从而得到一个解决方案。代入第二个公式中 RGS 的表达式，最差情况下 D = 0.5，确定 ΔVC = 0.1 × VDRV，可求解并简化第一个公式，计算最小电容值，如 公式 39 所示。

计算出 CC,MIN 后，其值和所需启动时间常数 (τ) 决定了所需的下拉电阻。交流耦合驱动的常见设计折衷方法是平衡效率和瞬变时间常数。为了在不同占空比下更快地调节耦合电容器电压，必须允许栅源极电阻器上存在更大的电流。

3.总结
前面所述的关于开关速度、dv/dt 抗扰性、旁路规则等方面的每条注意事项均适用于所有电路，包括变压器耦合栅极驱动。由于这些主题互为基础，因此只重点介绍了特定电路的独特新属性。

还展示了一种为高速开关应用设计高性能栅极驱动电路的系统性 应用非常重要。可通过以下分步核对表总结此过程：

• 在完成功率级设计并选择电源组件后，开始栅极驱动设计过程。
• 采集所有相关的工作参数。具体来说，包括基于应用要求的功率 MOSFET 的电压和电流应力、工作结温度以及与功率 MOSFET 周围外部电路相关的 dv/dt 和 di/dt 极限，这些参数通常由功率级的不同阻尼器或谐振电路决定。
• 估算用于描述实际应用电路中功率半导体的寄生分量值的所有器件参数。数据表中列出的值通常是在不现实的室温测试条件下产生中，必须相应地进行修正。这些参数包括器件电容、总栅极电荷、RDS(on)、阈值电压、米勒平坦区域电压、内部栅极网状电阻等。
• 应优先考虑以下要求：性能、印刷电路板大小、目标成本等。然后选择符合功率级拓扑的合适栅极驱动电流。
• 确定将用于为栅极驱动电路供电的偏置电压电平，并检查电压是否足以将 MOSFET 的 RDS(on) 降至最低。
• 根据目标上电 dv/dt 和所需的开通和关断开关速度，选择驱动器 IC、栅源极电阻值和串联栅极电阻RGATE。
• 根据需要设计（或选择）栅极驱动变压器。
• 如果是交流耦合，计算耦合电容值。
检查启动和瞬态运行条件，尤其是在交流耦合栅极驱动电路中。
• 估算驱动器的 dv/dt 和 di/dt 能力，并将其与功率级确定的值进行比较。
• 根据需要增加一种关断电路，并计算可满足 dv/dt 和 di/dt 要求的分量值。
• 检查驱动器电路中所有元件的功率损耗。
• 计算旁路电容值。
• 优化印刷电路板布局，最大程度地减小寄生电感。
随时检查最终印刷电路板的栅极驱动波形，查看在栅源极端子和驱动器 IC 输出端有无过度振铃。
• 增加保护或根据需要更换栅极驱动电阻器以调整谐振电路。

在可靠的设计中，应针对最差情况对这些步骤进行评估，因为温升、瞬态电压和电流应力可以给驱动器的运行带来重大变化，最终影响功率 MOSFET 的开关性能。