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1、工程师经验之高压栅极驱动器自举电路设计本文讲述了一种运用于功率型 2. 高速栅极驱动电路1自举栅极驱动技术2自举式驱动电路工作原理S降低到 IC 电源电压 VDD或下拉至地时 （低端开关导通，高端开关关断），电源VDD通过自举电阻，RBOOT，和自举BOOT，对自举电容CBOOT，进行充电，如图 2 所示。当 VS被高端开关上拉到一个较高电压时，由VBS对该自举电容充电，此时，VBS电源浮动，自举二极管处于反向偏置，轨电压 （低端开关关断，高端开关导通）和IC 电源电压 VDD，被隔离开。3自举式电路的缺点BOOT，刷新电荷所需时间的限制。S引脚，可能会明显地将某些内部电路下拉到地以下，如图4
2、 所示。另外一个问题是，该负电压的转换可能会使自举电容处于过压状态。BOOT，通过自举二极管DBOOT，被电源 VDD瞬间充电。DD电源以地作为基准，自举电容产生的最大电压等于VDD加上源极上的负电压振幅。4VS引脚产生负电压的原因S下低到COM （地）以下的原因之一。GATE和开关器件的输入电容，Ciss决定。5VS 引脚电压下冲的影响S 电压下冲没有超过规定的绝对最大额定值，栅极驱动IC 不会受到损害。然而，当 VS 处于如图 8 所示的下冲状态时，高端输出不会对输入转换作出响应。在这种情况下，高端栅极驱动电路的电平转换器不会受到工作电压余量不足的影响。需要注意的是，大多数事实证明高端通常
3、不需要在一个开关动作之后立即改变状态。6考虑闭锁效应S电压严重不足和由此产生闭锁效应之间的关系。DD由一个零欧姆电源驱动，通过一个理想二极管连接到VB，如图 9 所示。当大电流流过续流二极管时，由于di/dt 很大，VS电压将低于地电压。这时，闭锁危险发生了，因为栅极驱动器内部的寄生二极管DBS，最终沿VS到 VB方向导通，造成下冲电压与 VDD叠加，使得自举电容被过度充电，如图10 所示。DD=15V， VS下冲超过 10V，迫使浮动电源电压在25V 以上，二极管DBS有被击穿的危险，进而产生闭锁。BS在任何情况下都是恒定的。注意利用一个低电阻辅助电源替代自举电路，就能实现这种情况。这时，如
4、果VS过冲超过数据表 (datasheet) 规定的最大 VBS电压，闭锁危险就会发生，因为寄生二极管DBCM最终沿COM 端到VB方向导通，如图 12 所示。BS电压稍微增大，和 VB稍低于VDD，如图 13 所示。S过冲持续时间超过 10 个纳秒，自举电容CBOOT被过充电，那么高端栅极驱动器电路被过电压BS 电压超过了数据表指定的绝对最大电压(VBSMAX) 。设计一个自举电路时，其输出电压不能超过高端栅极驱动器的绝对最大额定电压。7寄生电感效应3. 自举部件的设计流程1选择自举电容BOOT) 在低端驱动器导通，输出电压低于栅极驱动器的电源电压(VDD) 时每次都被充电。自举电容仅当高端
5、开关导通的时候放电。自举电容给高端电路提供电源(VBS)。首先要考虑的参数是高端开关处于导通时，自举电容的最大电压降。允许的最大电压降(VBOOT) 取决于要保持的最小栅极驱动电压 （对于高端开关） 。如果VGSMIN是最小的栅 - 源极电压，电容的电压降必须是：DD = 栅极驱动器的电源电压；F = 自举二极管正向电压降 VTOTAL是GATE= 栅极电荷的总量LKGS= 开关栅 - 源级漏电流；LKCAP= 自举电容的漏电流；QBS= 自举电路的静态电流；LK= 自举电路的漏电流；LS= 内部电平转换器所需要的电荷，对于所有的高压栅ON= 高端导通时间；和LK2选择自举电阻BOOT带来一个
6、额外的电 压降：CHARGE= 自举电容的充电电流；BOOT= 自举电阻；和CHARGE= 自举电容的充电时间 ( 低端导通时间 )BS时间常数。当计算最大允许的电压降(VBOOT) 时，必须考虑自举二极管的电压降。如果该电压降太大或电路不能提供足够的充电时间，我们可以使用一个快速恢复或超快恢复二极管。DD=15VGATE= 98nC （最大值）LKGS= 100nA （最大值）LKCAP= 0 （陶瓷电容）QBS= 120A （最大值）LK= 50A （最大值）LS= 3nCON=25s （fs=20KHz，占空比 =50%）LKDIODE= 10nA4. 考虑自举应用电路1自举启动电路BO
7、OT) 的负偏置节点位于输出电压时，它有对自举电 容进行初始化启动和充电受限的问题。启动时，自举二 极管 (DBOOT) 可能处于反偏，主要 MOSFET (Q1) 的导 通时间不足，自举电容不能保持所需要的电荷，如图 1 所示。BOOT)提供初始电 荷也许是不可能 的，这 取 决于电源电压(VDD) 和输出电压 (VOUT) 之间的电压差。假设输入电压(VDC) 和输出电压 (VOUT) 之间有足够的电压差，由启动电阻(RSTART)，启动二极管 (DSTART) 和齐纳二极管(DSTART) 组成的电路，可以解决这个问题，如图 14 所示。在此启动电路中，启动二极管DSTART充当次自举二
8、极管，在上电时对自举电容(CBOOT) 充电。自举电容(CBOOT) 充电后，连接到齐纳二极管DZ，在正常工作时，这个电压应该大于驱动器的电源电压(VDD) 。启动电阻限制了自举电容的充电电流和齐纳电流。为了获得最大的效率，应该选择合适的启动电阻值使电流极低，因为电路中通过启动二极管的自举路径是不变的。2自举二极管串联电阻BOOT，它 串联了一个自举二极管，如图 15所示。自举电阻RBOOT， 仅在自举充电周期用来限流。自举充电周期表示 VS降到 集成电路电源电压 VDD以下，或者 VS被拉低到地 （低 端开关导通，高端开关关闭）。电源 VDD，通过自举电 阻 RBOOT和二极管 DBOOT，
9、对自举电容 CBOOT充电。自 举二极管的击穿电压 (BV) 必须大于 VDC，恢复时间足够 快，以减少自举电容反馈给电源 VCC的电荷。BOOT刷新电荷所需要的时间，还有启动问题。该电阻值 （一般510）不能太大，否则会增加 VBS时间常数。最低导通时间，即给自举电容充电或刷新电荷的时间，必须匹配这个时间常数。该时间常数取决于自举电阻，自举电容和开关器件的占空比，用下面的等式计算：BOOT是自举电阻； CBOOT是自举电容； D 是占空比。BOOT=10，CBOOT=1F 和 D=10% ；时间常数计算如下：3VS 与 VOUT 之间的电阻S和 VOUT之间，添加上一个小电阻RVS，如图 1
10、6 所示。RVS的建议值在几个欧姆左右。VS不仅用作自举电阻，还用作导通电阻和关断电阻，如图17。自举电阻，导通电阻和关断电阻通过下面的等式计算：4VS箝压二极管和重布置栅极电阻S和VOUT之间，并且在 VS和地之间增加一个低正向压降的肖特基二极管，如图18 所示。VB和 VS之间的电压差，应保持在数据表规定的绝对最大额定值范围内，并且必须符合下列等式：5重布置栅极电阻；双重目的BOOT两端的双二极管，确保自举电 容不会出现过电压。该电路唯一的潜在危险是，自举电 容的充电电流必须流过栅极电阻。 CBOOT和 RGATE的时 间常数，减缓了电容重新充电过程，这可能是一个类似 PWM 占空比的限制
11、因素。S和 VOUT之间，重新布置一个栅极电阻，以及在VS和地之间放置一个箝压器件，如图 19所示，布置了一个齐纳二极管和600V 二极管。根据下列规则，量化齐纳电压：5. 选择 HVIC 电流能力对于每一种额定驱动电流，计算指定时间内所能切换的最大栅极电荷QG，如表 1 所示。SW_ON/OFF内，必须移动的栅极电荷数 QG（因为开关期间的平均栅极电流是IG） :G，从 MOSFET 数据表得到。GS与规格表中的GS与 QG关系曲线的值代替。数据表中的值乘上并联的MOSFET 数量就是所需的值。SW_ON/OFF表示所需的 MOSFET 开关速度。如果该值未知，取开关周期tSW的 2%：DS
12、和 ID是每个开关间期的最大值。G=VGS= VDD时， MOSFET 的栅极电荷；SW_ON/OFF=MOSFET 开关导通 / 关断时间；和6. 栅极电阻设计流程输出1量化导通栅极电阻sw，选择导通闸极电阻 Rg(ON)，以获得所需的开关时间。根据开关时间确定电阻值时，我们需要知道电源电压VDD（或 VBS），栅极驱动器的等效导通电阻(RDRV(ON)，和开关器件的参数 (Qgs, Qgd, and Vgs(th)。gd+ Qgd的电荷）末端所花费的时间，如图 21 所示。导通栅极电阻计算如下：g(ON)是栅极导通电阻，RDRV(ON)是驱动器的等效导通电阻。2输出电压斜率g(ON)通过控
13、制输出电压斜率 (dVOUT/dt)来决定。当输出电压是非线性时，最大输出电压斜率可以近似为：g(agd(off)是密勒效应电容，在数据表中定义为 C3量化关断栅极电阻G(OFF)和 RDRV(OFF)，如图 22 所示。4设计实例gs=13.5nC， Qgd=36nC， Cgd=95pF， VGS(th)=5V，VGS(th)4.1 导通栅极电阻DD=15V时，dVout/dt=1V/ns，总栅极电阻计算为：4.2 关断栅极电阻7. 考虑功耗1栅极驱动器的功耗DD有关。DD到地的静态电流，以及高端驱动器的电平转换阶段的漏电流造成的。前者取决于VS端的电压，后者仅在高端功率器件导通时与占空比成
14、正比。DD=15V 时，根据不同频率和负载电容，估算的栅极驱动器功耗。这个曲线可以用来近似栅极驱动器的功耗。DC）越高，反向恢复功耗越大。集成电路的总功耗可以估算为：栅极驱动器的功耗与自举二极管的功耗的总和，减去自举电阻的功耗。2封装热阻J,MAX,OPR，比如对于驱动器是120C，如果取 TJ,MAX=150C 的 80%。L,MAX,OPR，大约等于驱动器下最大PCB 温度，比如 100C。8. 一般准则1印刷电路板版图2自举部件BOOT)。如果需要电阻和自举二极管串联时，首先确认VB不会低于 COM （地），尤其是在启动期间和极限频率和占空比下。BOOT) 使用一个低 ESR 电容，比如陶瓷电容。VDD和 COM 之间的电容，同时支持低端驱动器和自举电容的再充电。建议该电容值至少是自举电容的十倍以上。9.附录高速栅极驱动电路总结自举电路问题的思考自举电路问题的补救措施