【導讀】NCD(V)5700x 是大電流單通道柵極驅動(dòng)器，內置電流隔離功能，用于在高功率應用中實(shí)現高系統效率和可靠性。上篇中我們介紹了NCD(V)5700x的輸入(IN)和輸出(OUT)信號、輸入偏置電源(VDD1)、輸出正負偏置電源(VDD2和VEE2)、功耗(PD)和結溫(TJ)、欠壓閉鎖(UVLO)和就緒(RDY)和去飽和(DESAT)保護和軟關(guān)斷(STO)這六個(gè)部分的參數、功能和設計技巧。
這篇文章我們將重點(diǎn)關(guān)注NCD(V)5700x的考慮使用外部BJT緩沖器實(shí)現軟關(guān)斷(STO)、用于偏置電源的齊納分離式穩壓器、柵極驅動(dòng)電路中的箝位二極管、布局布線(xiàn)考慮等內容。
外部 BJT 緩沖器可提升驅動(dòng)電流，因而廣泛用于驅動(dòng)具有較大柵極電荷的較高電流功率半導體器件。為了從緩沖器獲得更高的驅動(dòng)電流，BJT 須具有很高的直流增益。此外，通過(guò)使用低值基極電阻 (RB) 來(lái)為緩沖器提供高基極電流。典型應用電路如圖 28 所示，其中包括內部功率開(kāi)關(guān)和 STO 開(kāi)關(guān)。雖然較低基極電阻值有助于實(shí)現更高的驅動(dòng)電流，但它仍必須足夠高，以限制去飽和情況下的基極電流。由于這種折衷，軟關(guān)斷可能無(wú)法在短路情況下充分抑制過(guò)壓尖峰。圖 29 顯示了正常工作情況下以及 DESAT 激活時(shí)軟關(guān)斷情況下的電流路徑。
圖 28：外部 BJT 緩沖器的典型應用電路
圖 29：正常工作和 DESAT 激活情況下的灌電流路徑
為了降低基極電流，額外的 RC 網(wǎng)絡(luò )可以在基極電阻和 OUT/L 節點(diǎn)之間產(chǎn)生電壓。此額外電壓節點(diǎn)可以降低 DESAT 情況下的基極電流，并防止 PNP BJT (QL) 進(jìn)入硬飽和狀態(tài)，允許其緩慢導通。額外 RC 網(wǎng)絡(luò )的原理圖如圖 30 所示。電壓和電流的近似方程如下所示。
同時(shí)
考慮 BJT 在有源模式區域工作。
圖 30：外部 BJT 緩沖器的典型應用電路
REX 根據柵極驅動(dòng)器 IC 中拉電流/灌電流 MOSFET 的電流應力而得到。它需要折衷考慮電流應力和 Vx(t)。通常，REX 值應小于 RB 或等于RB。CEX 值根據 REX 的功耗而得到，它仍須具有足夠的時(shí)間常數以讓 Vx(t) 緩慢衰減。如果 CEX 較高，軟關(guān)斷 (STO) 將更容易實(shí)現。一般而言， REX 將是固定值，而 CEX 可調，以使 IGBT 在短路情況下軟關(guān)斷。
具有額外 RC 網(wǎng)絡(luò )（REX 和 CEX）的外部 BJT 緩沖器的示例電路如圖 31 所示。比較波形如圖 32（無(wú) RC 網(wǎng)絡(luò )）和圖 33（有 RC 網(wǎng)絡(luò )）所示。這些 RC 波形表明，在 DESAT 情況下，RC 網(wǎng)絡(luò )具有在 IGBT 柵極產(chǎn)生軟關(guān)斷波形的效果。RC 網(wǎng)絡(luò )的設計應確保正常運行時(shí)不會(huì )影響驅動(dòng)。圖 34 和圖 35 顯示，使用選擇的 REX 和 CEX 值時(shí)，RC 網(wǎng)絡(luò )不影響導通上升時(shí)間；圖 36 和圖 37 顯示關(guān)斷下降時(shí)間的結果也一樣。
圖 31：外部 BJT 緩沖器的典型應用電路
圖 32：DESAT 激活時(shí)無(wú) RC 網(wǎng)絡(luò )情況下的輸出和負載電壓波形
圖 33：DESAT 激活時(shí)有 RC 網(wǎng)絡(luò )情況下的輸出和負載電壓波形
圖 34：導通時(shí)無(wú) RC 網(wǎng)絡(luò )情況下的輸出和負載電壓波形
圖 35：導通時(shí)有 RC 網(wǎng)絡(luò )情況下的輸出和負載電壓波形
圖 36：關(guān)斷時(shí)無(wú) RC 網(wǎng)絡(luò )情況下的輸出和負載電壓波形
圖 37：關(guān)斷時(shí)有 RC 網(wǎng)絡(luò )情況下的輸出和負載電壓波形
作為偏置柵極驅動(dòng)器的經(jīng)濟高效方案，齊納分離式穩壓器廣泛用于多種應用中，因為它降低了變壓器中的繞組并減少了元件。它可以根據驅動(dòng)器偏置要求（包括負偏置 VEE2）從單極性電壓產(chǎn)生正偏置和負偏置電壓。
圖 38 顯示了使用齊納分離式穩壓器的隔離轉換器輸出的典型原理圖。
圖 38：齊納分離式穩壓器的典型電路
正偏置為柵極驅動(dòng)器的 VDD2 供電，負偏置為 VEE2 供電。VDD2 電壓被齊納二極管的齊納擊穿電壓箝位，VEE2 電壓將是總直流輸出電壓中的剩余電壓。據此，齊納二極管必須擊穿以在所有負載電流范圍內維持VDD2的正電壓，否則正電壓和負電壓無(wú)法如預期的那樣維持，而是上下擺動(dòng)，導致 UVLO 觸發(fā)的風(fēng)險。等效電路如圖 39 所示。
圖 39：齊納分離式穩壓器的等效電路
NCD(V)5700x 系列在不同輸入信號頻率和負載電容下的正負偏置電源電流（IDD2 和 IEE2）已顯示在圖 7 和圖 8 中。它可以轉換為正負偏置的等效負載電阻 RL(VDD2) 和 RL(VEE2)。為了確保齊納二極管擊穿，偏置電阻須滿(mǎn)足下式。
同時(shí)
確定偏置電阻 RB 后，應關(guān)注最大直流齊納電流 (IZM)。必須考慮齊納二極管和 RB 的功耗限制。應考慮器件容差以充分維持 VDD2 > VZD。齊納二極管的額定功率和偏置電阻可以得知，推薦使用的齊納二極管如表 4 所示。
表 4：齊納二極管 (ZD)
注意：齊納擊穿電壓是典型值，在室溫下定義。
由于布局和器件封裝的原因，電源環(huán)路和驅動(dòng)環(huán)路中的寄生電感很難避免。驅動(dòng)環(huán)路中的峰值驅動(dòng)電流越高，或者電源環(huán)路中的功率器件電流越高，di/dt 就會(huì )越高。此更高 di/dt 會(huì )通過(guò)寄生電感 (Lk) 產(chǎn)生更高 dv/dt，并且該快速瞬態(tài)電壓可能高于正偏置 (VDD2) 或低于負偏置 (VEE2)，導致高頻循環(huán)電流進(jìn)入柵極驅動(dòng)器。高頻循環(huán)電流路徑如圖 40（正 di/dt）和圖 41（負 di/dt）所示。建議添加箝位二極管，如圖 42 所示。高頻循環(huán)電流可以直接通過(guò)偏置電容，而不是進(jìn)入柵極驅動(dòng)器。此外，正箝位二極管 (DC(VDD2)) 可以維持 IGBT 柵極電壓等于偏置電壓，以防止柵極電壓上升以及在短路情況下產(chǎn)生更高的峰值短路電流。
圖 40：正 di/dt 中的循環(huán)電流路徑
圖 41：負 di/dt 中的循環(huán)電流路徑
圖 42：負 di/dt 中的循環(huán)電流路徑
為了獲得良好的抗擾度并實(shí)現穩定工作，使用柵極驅動(dòng)器的應用必須考慮布局和布線(xiàn)。導通和關(guān)斷的驅動(dòng)電流路徑如圖 43 所示。此圖顯示了從柵極驅動(dòng)器到功率器件的主要驅動(dòng)環(huán)路。驅動(dòng)環(huán)路應盡可能小并且阻抗較低，以減小環(huán)路的雜散電感。此高驅動(dòng)電流路徑僅經(jīng)由偏置電容和內部 MOSFET 到達 IGBT 柵極。偏置電容須盡可能靠近柵極驅動(dòng)器的 VDD2 和 VEE2 引腳引線(xiàn)。返回路徑有一個(gè)低阻抗走線(xiàn)或平面以連接 IGBT 的發(fā)射極。
考慮到高質(zhì)量去飽和檢測，防止高 dV/dt 和 dI/dt 引起的串擾噪聲在大功率應用中非常重要。去飽和檢測環(huán)路和驅動(dòng)環(huán)路應分開(kāi)，以避免串擾噪聲進(jìn)入。在圖 44 所示的原理圖中，接地電阻 RGND 將信號偏置電容 C、CVEE2(S) 與驅動(dòng)偏置電容 CVDD2(P)、CVEE2(P)分開(kāi)。對于去飽和保護而言，從 IGBT 集電極到發(fā)射極的該單獨檢測走線(xiàn)具有良好的抗擾度。信號電容 CVDD2(S) 和 CVEE2(S) 的建議值為至少 1.0 μF，驅動(dòng)電容 CVDD2(P) 和 CVEE2(P) 的建議值至少為 10 μF，接地電阻 RGND的建議值為 4.7 Ω 以上。推薦布局布線(xiàn)概念如圖 45（無(wú) BJT 緩沖器）和圖 46（有 BJT 緩沖器）所示。
圖 43：導通和關(guān)斷的驅動(dòng)電流路徑
圖 44：信號和驅動(dòng)環(huán)路分離原理圖
圖 45：布局布線(xiàn)概念（無(wú) BJT 緩沖器）
圖 46：布局布線(xiàn)概念（有 BJT 緩沖器）
這兩篇應用筆記中中我們介紹了NCD(V)5700x 在系統應用中以下部分的參數、功能和設計技巧：
● 輸入偏置電源(VDD1)
● 輸出正負偏置電源(VDD2和VEE2)
● 功耗(PD)和結溫(TJ)
● 欠壓閉鎖(UVLO)和就緒(RDY)
● 去飽和(DESAT)保護和軟關(guān)斷(STO)
● 考慮使用外部BJT緩沖器實(shí)現軟關(guān)斷(STO)
● 用于偏置電源的齊納分離式穩壓器
● 柵極驅動(dòng)電路中的箝位二極管
● 布局布線(xiàn)考慮
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