【導(dǎo)讀】隨著功率半導(dǎo)體IGBT，SiC MOSFET技術(shù)的發(fā)展和系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)化，電平位移驅(qū)動電路應(yīng)用場景越來越廣，電壓從600V拓展到了1200V。英飛凌1200V電平位移型頸驅(qū)動芯片電流可達+/-2.3A，可驅(qū)動中功率IGBT，包括Easy系列模塊。目標(biāo)10kW+應(yīng)用，如商用HVAC、熱泵、伺服驅(qū)動器、工業(yè)變頻器、泵和風(fēng)機。本文就來介紹一個設(shè)計案例，采用電平位移驅(qū)動器碳化硅SiC MOSFET 5kW交錯調(diào)制圖騰柱PFC評估板。
隨著功率半導(dǎo)體IGBT，SiC MOSFET技術(shù)的發(fā)展和系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)化，電平位移驅(qū)動電路應(yīng)用場景越來越廣，電壓從600V拓展到了1200V。英飛凌1200V電平位移型頸驅(qū)動芯片電流可達+/-2.3A，可驅(qū)動中功率IGBT，包括Easy系列模塊。目標(biāo)10kW+應(yīng)用，如商用HVAC、熱泵、伺服驅(qū)動器、工業(yè)變頻器、泵和風(fēng)機。本文就來介紹一個設(shè)計案例，采用電平位移驅(qū)動器碳化硅SiC MOSFET 5kW交錯調(diào)制圖騰柱PFC評估板。
從設(shè)計上看，這是一個很好的工業(yè)應(yīng)用案例，涉及自舉電路用在中功率驅(qū)動和工頻50Hz的驅(qū)動中的應(yīng)用。
評估板的型號為EVAL-1EDSIC-PFC-5KW，是采用交錯圖騰柱實現(xiàn)PFC的完整方案，三個半橋橋臂結(jié)構(gòu)，見下圖，兩個高頻橋臂的功率開關(guān)采用650V 22mΩ的碳化硅MOSFET IMBG65R022M1H，一個低頻橋臂采用10 mΩ600V的CoolMOS? S7 IPQC60R010S7。
CoolMOS? S7是高壓SJ MOSFET，其針對RDS(on)優(yōu)化，用于低頻開關(guān)。非常適合固態(tài)斷路器和繼電器、PLC、電池保護以及大功率電源中的有源橋式整流。
Si和SIC MOSFET驅(qū)動都采用基于SOI技術(shù)電平位移驅(qū)動芯片。
其中SiC MOSFET的驅(qū)動采用電平位移驅(qū)動芯片1ED21271S65F，它是4A 650V的大電流高壓側(cè)柵極驅(qū)動器，帶過電流保護(OCP)、多功能RCIN/故障/使能(RFE)和集成自舉二極管(BSD)，DSO-8封裝。
CoolMOS? S7的驅(qū)動采用基于SOI技術(shù)電平位移驅(qū)動芯片2ED2182S06F，它是2.5A 650V高速大電流半橋柵極驅(qū)動器IC，集成自舉二極管，DSO-8封裝。
5kW交錯調(diào)制圖騰柱PFC的設(shè)計，在230VAC半負載條件下，實現(xiàn)效率為98.7%，尺寸為218mm x 170mm x 60mm，即功率密度達到36W/in3。
所用器件：
■ EiceDRIVER? 1ED21271S65F驅(qū)動CoolSiC? MOSFET
■ CoolSiC? MOSFET IMBG65R022M1H
■ EiceDRIVER? 2ED2182S06F驅(qū)動CoolMOS?
■ CoolMOS? S7 SJ MOSFET 600V IPQC60R010S7
■ 控制器MCU: XMC? 4200 Arm? Cortex?-M4
■ 輔助電源：ICE2QR2280G
SIC MOSFET驅(qū)動
1ED21271S65F是2025年3月推出的最新產(chǎn)品，電壓為650V、輸出能力+/-4A的高邊柵極驅(qū)動器，與其他產(chǎn)品相比，提供了一種更穩(wěn)健、更具性價比的解決方案。
設(shè)計采用英飛凌的絕緣體上硅（SOI）技術(shù)，1ED21x7x系列具有出色的可靠性和抗噪能力，能夠在負瞬態(tài)電壓高達-100V時芯片不壞。
可用于高壓側(cè)或低壓側(cè)高壓、大電流、高速功率管驅(qū)動，即驅(qū)動Si/SiC功率MOSFET和IGBT，擊穿電壓高達650V，輸出電流為+/-4A，傳播延遲小于 100ns。
1ED21x7x系列非常適合驅(qū)動多個開關(guān)并聯(lián)應(yīng)用，例如輕型電動汽車中，基于1ED21x7x大電流柵極驅(qū)動器的設(shè)計，可在一個三相系統(tǒng)中節(jié)省多個 NPN/PNP管和外部自舉二極管。
在圖騰柱PFC設(shè)計中，電感器過流保護是個設(shè)計難點，1ED21x7x提供簡單、易于設(shè)計的電感器過流保護。
1ED21x7x的CS管腳功能強大，可以實現(xiàn)過流保護和短路I和短路II的保護。
短路I：指發(fā)生在功率開關(guān)開通之前，已經(jīng)處于短路狀態(tài)。
短路II：短路發(fā)生在功率開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)，這是更難保護的。
過流保護：1ED21x7x系列有兩個CS保護閾值可以選，0.25V和1.8V。0.25V設(shè)置通常與分流電阻一起使用，以實現(xiàn)過流檢測，低壓選項，可以盡量減少分流電阻上的壓降造成的損耗。對于褪飽和檢測，要選用1.8V，因為它具有更好的抗噪能力。
由于1ED21x7x系列集成了自舉二極管，外圍電路就顯得更簡單，下圖的實際電路外接了一個600V高速二極管Db和一個5.1Ω電阻，自舉電容為1uf。這是為什么呢？
在《驅(qū)動電路設(shè)計（五）——驅(qū)動器的自舉電源穩(wěn)態(tài)設(shè)計》中強調(diào)了自舉電路會有電壓損失，造成上管驅(qū)動電壓低于下管電壓，而SiC的RDS(ON)會隨著驅(qū)動電壓降低而明顯增大，這是要在設(shè)計中避免的。
自舉電壓的損失主要貢獻是自舉電路中的自舉電路中的阻抗，VRboot由下面公式?jīng)Q定，選擇更小的外接電阻能降低自舉電壓的損失，外接5.1歐姆相比驅(qū)動內(nèi)置的等效電阻35歐姆來說小得多，零點幾伏的改善對SiC MOSFET的靜態(tài)損耗降低是非常有價值的。
CoolMOS?驅(qū)動
EiceDRIVER? 2ED2182S06F驅(qū)動CoolMOS? S7 SJ MOSFET 600V IPQC60R010S7時，就直接采用集成自舉二極管，自舉電容為33uf+100nf。
由于低頻橋臂工作在工頻50Hz，按照《驅(qū)動電路設(shè)計（四）---驅(qū)動器的自舉電源綜述》中的設(shè)計公式，進行計算。由于頻率只有50Hz，驅(qū)動器的靜態(tài)電流被放大了。它的效應(yīng)要比IPQC60R010S7的QG大一個量級，所以算出來的電容值就比較大，取33uf。
■ QG為功率開關(guān)的柵極電荷 318nC (IPQC60R010S7)
■ Iq為相關(guān)驅(qū)動器的靜態(tài)電流170uA（數(shù)據(jù)表中Quiescent VBS supply current）
■ Ileak為自舉電容的漏電流(只與電解電容有關(guān)，忽略)
■ fSW為功率管的開關(guān)頻率50Hz
■ UCC為驅(qū)動電源電壓
■ UF為自舉二極管的正向電壓
■ UCEsat為下橋臂功率管的電壓降
■ S為余量系數(shù)
通過以上內(nèi)容，可以看到不能抄作業(yè)的自舉電路設(shè)計的兩個案例，結(jié)合之前系列文章中的知識點，讀者可以做驗證性的設(shè)計。
英飛凌新開發(fā)了一些功能強大的電平位移驅(qū)動電路，把應(yīng)用場景拓展了，在合理的系統(tǒng)絕緣分配后，可以更積極采用電平位移驅(qū)動電路、自舉電路來優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，降低系統(tǒng)成本。
(作者：陳子穎，鄭姿清)
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