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 MOSFET 和 IGBT 设计高 性能自举式栅极驱动电路的系统方法，适用于高频率， 大功率及高效率的开关应用场合。不同经验的电力电子 工程师们都能从中获益。在大多数开关应用中，开关功 耗主要取决于开关速度。因此，对于绝大部分本文阐述 的大功率开关应用，开关特性是非常重要的。自举式电 源是一种使用最为广泛的，给高压栅极驱动集成电路 (IC) 的高端栅极驱动电路供电的方法。这种自举式电源 技术具有简单，且低成本的优点。但是，它也有缺点， 一是占空比受到自举电容刷新电荷所需时间的限制，二 是当开关器件的源极接负电压时，会发生严重的问题。 本文分析了最流行的自举电路解决方案；包括寄生参 数，自举电阻和电容对浮动电源充电的影响。
2. 高速栅极驱动电路

1自举栅极驱动技术

本节重点讲在不同开关模式的功率转换应用中，功率型MOSFET 和 IGBT 对自举式栅极驱动电路的要求。当输入电平不允许高端N 沟道功率型 MOSFET 或 IGBT 使用直接式栅极驱动电路时，我们就可以考虑自举式栅极驱动技术。这种方法被用作栅极驱动和伴发偏置电路，两者都以主开关器件的源极作为基准。驱动电路和偏置电路都在相对于器件源极的两个输入电压之间摆动。但是，驱动电路和它的浮动偏置可以通过低压电路实现，因为输入电压不会作用到这些电路上。驱动电路和接地控制信号通过一个电平转换电路相连。该电平转换电路必须允许浮动高端和接地低端电路之间存在高电压差和一定的电容性开关电流。高电压栅极驱动IC 通过独特的电平转换设计差分开。为了保持高效率和可管理的功耗，电平转换电路在主开关导通期间，不能吸收任何电流。对于这种情况，我们经常使用脉冲式锁存电平转换器，如图1 所示。

2自举式驱动电路工作原理

自举式电路在高电压栅极驱动电路中是很有用的，其工作原理如下。当V_S降低到 IC 电源电压 V_DD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，R_BOOT，和自举二极管， D_BOOT，对自举电容C_BOOT，进行充电，如图 2 所示。当 V_S被高端开关上拉到一个较高电压时，由V_BS对该自举电容充电，此时，V_BS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 V_DD，被隔离开。

3自举式电路的缺点

自举式电路具有简单和低成本的优点，但是，它也有一些局限。

占空比和导通时间受限于自举电容C_BOOT，刷新电荷所需时间的限制。

这个电路最大的难点在于：当开关器件关断时，其源极的负电压会使负载电流突然流过续流二极管，如图3 所示。

该负电压会给栅极驱动电路的输出端造成麻烦，因为它直接影响驱动电路或PWM 控制集成电路的源极V_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 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。

自举电容C_BOOT，通过自举二极管D_BOOT，被电源 VDD瞬间充电。

由于V_DD电源以地作为基准，自举电容产生的最大电压等于V_DD加上源极上的负电压振幅。

4V_S引脚产生负电压的原因

如图5 所示，低端续流二极管的前向偏置是已知的将V_S下低到COM （地）以下的原因之一。

主要问题出现在整流换向期间，仅仅在续流二极管开始箝压之前。

在这种情况下，电感LS1 和 LS2 会将 VS压低到 COM 以下，甚至超过如上所述的位置或正常稳态。

该负电压的放大倍数正比于寄生电感和开关器件的关断速度，di/dt ；它由栅极驱动电阻，R_GATE和开关器件的输入电容，Ciss决定。

Cgs 和 Cgd 的和，称为密勒电容。

图6 描述了高端 N 沟道 MOSFET 关断期间的电压波形。

5V_S 引脚电压下冲的影响

如果电压下冲幅度超过规定的绝对最大额定值，栅极驱动集成电路受到损害，或者栅极驱动集成电路暂时锁存现态。

图7 显示高端输出信号没有随输入信号而改变但发生闭锁现象，此时，半桥电路中的外部主高端和低端开关处于短路状态。

如果V_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 V_S 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

最完整的高电压栅极驱动集成电路都含有寄生二极管，它被前向或反向击穿，就可能导致寄生SCR 闭锁。闭锁效应的最终结果往往是无法预测的，破坏范围从器件工作时常不稳定到完全失效。栅极驱动集成电路也可能被初次过压之后的一系列动作间接损坏。例如，闭锁导致两输出驱动同时置于高态，造成交叉传导，从而导致开关故障，并最终使栅极驱动器集成电路遭受灾难性破坏。如果功率转换电路和/ 或栅极驱动集成电路受到破坏，这种失效模式应被考虑成一个可能的根本原因。下面的理论极限可用来帮助解释V_S电压严重不足和由此产生闭锁效应之间的关系。

在第一种情况中，使用了一个 “理想自举电路”，该电路的V_DD由一个零欧姆电源驱动，通过一个理想二极管连接到V_B，如图 9 所示。当大电流流过续流二极管时，由于di/dt 很大，V_S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D_BS，最终沿VS到 VB方向导通，造成下冲电压与 V_DD叠加，使得自举电容被过度充电，如图10 所示。

例如：如果V_DD=15V， V_S下冲超过 10V，迫使浮动电源电压在25V 以上，二极管D_BS有被击穿的危险，进而产生闭锁。

假想自举电源被理想浮动电源替代，如图11 所示，这时，V_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，如果V_S过冲超过数据表 (datasheet) 规定的最大 V_BS电压，闭锁危险就会发生，因为寄生二极管D_BCM最终沿COM 端到V_B方向导通，如图 12 所示。

一种实用的电路可能处在以上两种极限之间，结果是V_BS电压稍微增大，和 V_B稍低于V_DD，如图 13 所示。

准确地说，任何一种极限情况都是流行的，检验如下。如果V_S过冲持续时间超过 10 个纳秒，自举电容C_BOOT被过充电，那么高端栅极驱动器电路被过电压应力破坏，因为V_BS 电压超过了数据表指定的绝对最大电压(V_BSMAX) 。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

负电压的振幅是：

为了减小流过寄生电感的电流随时间变化曲线的斜度，要使等式1 中的导数项最小。

例如：一个10 安培， 25V 的栅极驱动器，它的寄生电感是100nH，如果在 50ns 内开关，那么 VS与地之间的负电压尖峰是20V。

3. 自举部件的设计流程

1选择自举电容

自举电容(C_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(V_DD) 时每次都被充电。自举电容仅当高端开关导通的时候放电。自举电容给高端电路提供电源(V_BS)。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(V_BOOT) 取决于要保持的最小栅极驱动电压 （对于高端开关） 。如果V_GSMIN是最小的栅 - 源极电压，电容的电压降必须是：

其中：

V_DD = 栅极驱动器的电源电压；

V_F = 自举二极管正向电压降 [V]

计算自举电容为：

其中Q_TOTAL是电容器的电荷总量。自举电容的电荷总量通过等式4 计算：

其中：

Q_GATE= 栅极电荷的总量

I_LKGS= 开关栅 - 源级漏电流；

I_LKCAP= 自举电容的漏电流；

I_QBS= 自举电路的静态电流；

I_LK= 自举电路的漏电流；

Q_LS= 内部电平转换器所需要的电荷，对于所有的高压栅

极驱动电路，该值为3nC ；

t_ON= 高端导通时间；和

I_LKDIODED= 自举二极管的漏电流；

电容器的漏电流，只有在使用电解电容器时，才需要考虑，否则，可以忽略不计。

2选择自举电阻

当使用外部自举电阻时，电阻 R_BOOT带来一个额外的电 压降：

其中：

I_CHARGE= 自举电容的充电电流；

R_BOOT= 自举电阻；和

t_CHARGE= 自举电容的充电时间 ( 低端导通时间 )

该电阻值 （一般5~10Ω）不能太大，否则会增加 V_BS时间常数。当计算最大允许的电压降(V_BOOT) 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。

例如 ：当使用外部自举二极管时，估算自举电容的大小。

栅极驱动

IC=FAN7382

开关器件

=FCP20N60

自举二极管

=UF4007

V_DD=15V

Q_GATE= 98nC （最大值）

I_LKGS= 100nA （最大值）

I_LKCAP= 0 （陶瓷电容）

I_QBS= 120A （最大值）

I_LK= 50A （最大值）

Q_LS= 3nC

T_ON=25s （fs=20KHz，占空比 =50%）

I_LKDIODE= 10nA

如果自举电容器在高端开关处于开启状态时，最大允许的电压降是1.0V，最小电容值通过等式 3 计算。

自举电容计算如下：

外部二极管导致的电压降大约为0.7V。假设电容充电时间等于高端导通时间 （占空比50%）。根据不同的自举电容值，使用以下的等式：

推荐的电容值是100nF ~ 570nF，但是实际的电容值必须根据使用的器件来选择。如果电容值过大，自举电容的充电时间减少，低端导通时间可能不足以使电容达到自举电压。

4. 考虑自举应用电路

1自举启动电路

如图 1 所示，自举电路对于高电压栅极驱动器是很有用 的。但 是，当 主 要 MOSFET (Q1) 的源极和自举电容 (C_BOOT) 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 (D_BOOT) 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。

在某些应用中，如电池充电器，输出电压在输入电源加载到转换器之前可能已经存在了。给自举电容(C_BOOT)提供初始电 荷也许是不可能 的，这 取 决于电源电压(V_DD) 和输出电压 (V_OUT) 之间的电压差。假设输入电压(V_DC) 和输出电压 (V_OUT) 之间有足够的电压差，由启动电阻(R_START)，启动二极管 (D_START) 和齐纳二极管(D_START) 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D_START充当次自举二极管，在上电时对自举电容(C_BOOT) 充电。自举电容(C_BOOT) 充电后，连接到齐纳二极管D_Z，在正常工作时，这个电压应该大于驱动器的电源电压(V_DD) 。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

在第一个选项中，自举电路包括一个小电阻， R_BOOT，它 串联了一个自举二极管，如图 15所示。自举电阻R_BOOT， 仅在自举充电周期用来限流。自举充电周期表示 V_S降到 集成电路电源电压 V_DD以下，或者 V_S被拉低到地 （低 端开关导通，高端开关关闭）。电源 V_DD，通过自举电 阻 R_BOOT和二极管 D_BOOT，对自举电容 C_BOOT充电。自 举二极管的击穿电压 (BV) 必须大于 V_DC，恢复时间足够 快，以减少自举电容反馈给电源 V_CC的电荷。

这是一种简单的，限制自举电容初次充电电流的方法，但是它也有一些缺点。占空比受限于自举电容C_BOOT刷新电荷所需要的时间，还有启动问题。该电阻值 （一般5~10Ω）不能太大，否则会增加 V_BS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：

其中R_BOOT是自举电阻； C_BOOT是自举电容； D 是占空比。

例如，R_BOOT=10，C_BOOT=1F 和 D=10% ；时间常数计算如下：

即使连接一个合理的大自举电容和电阻，该时间常数可能增大。这种方法能够缓解这个问题。不幸的是，该串联电阻不能解决过电压的问题，并且减缓了自举电容的重新充电过程。

3VS 与 VOUT 之间的电阻

在第二个选项中，自举电路的V_S和 V_OUT之间，添加上一个小电阻RVS，如图 16 所示。R_VS的建议值在几个欧姆左右。

R_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：

4V_S箝压二极管和重布置栅极电阻

在第三个选项中，自举电路把栅极电阻重新布置到V_S和V_OUT之间，并且在 V_S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。V_B和 V_S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

栅极电阻设置了 MOSFET 的导通速度和关断速度，限制 了在主开关源极的电压负向瞬变时，肖特基二极管的电 流。另外，连接到 C_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。 C_BOOT和 R_GATE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 占空比的限制因素。

第四个选择，包括在V_S和 V_OUT之间，重新布置一个栅极电阻，以及在V_S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Q_G，如表 1 所示。

说明：

1. 一个单通道 4A 的 HVIC，等同一个双通道 2A 的HVIC！

例如，100ns 的开关时间是：

100KHz 时，转换电路开关周期的 1% ；

300KHz 时，转换电路开关周期的 3% ；

1. 所需的额定栅极驱动电流取决于在开关时间 t_{SW_ON/OFF}内，必须移动的栅极电荷数 Q_G（因为开关期间的平均栅极电流是I_G） :

2. 最大栅极电荷 Q_G，从 MOSFET 数据表得到。

如果实际的栅极驱动电压V_GS与规格表中的测试条件不同，我们可以用V_GS与 Q_G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。

3. t_{SW_ON/OFF}表示所需的 MOSFET 开关速度。如果该值未知，取开关周期t_SW的 2%：

如果通道(V-I) 开关损耗主要受开关转换（导通或关断）支配，需要根据转换调整驱动器。对于受箝制的电感性开关（通常情况），每次转换的通道开关损耗估算如下：

其中

V_DS和 I_D是每个开关间期的最大值。

4. 栅极驱动器的近似电流驱动能力计算如下

(1) 拉电流能力 （导通）

(2) 灌电流能力 （关断）

其中：

Q_G=V_GS= V_DD时， MOSFET 的栅极电荷；

t_{SW_ON/OFF}=MOSFET 开关导通 / 关断时间；和

1.5= 经验因子 （受通过驱动器输入级的延迟和寄生效应的影响）

6. 栅极电阻设计流程

输出晶体管的开关速度受导通和关断栅极电阻的控制，这些电阻控制了栅极驱动器的导通和关断电流。本节描述了有关栅极电阻的基本规则，通过引入栅极驱动器的等效输出电阻来获取所需的开关时间和速度。图20 描述了栅极驱动器的等效电路和在导通和关断期间的电流流动路径，其中包括栅极驱动器和开关器件。

图21 显示了开关器件在导通和关断期间的栅极 - 电荷传输特性。

1量化导通栅极电阻

根据开关时间t_sw，选择导通闸极电阻 R_g(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V_DD（或 V_BS），栅极驱动器的等效导通电阻(R_DRV(ON))，和开关器件的参数 (Q_gs, Q_gd, and V_gs(th))。

开关时间定义为到达平台电压（给MOSFET 提供了总共Q_gd+ Q_gd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：

其中R_g(ON)是栅极导通电阻，R_DRV(ON)是驱动器的等效导通电阻。

2输出电压斜率

导通栅极电阻R_g(ON)通过控制输出电压斜率 (dV_OUT/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：

插入变形表达式I_g(avr)，并整理得到：

其中C_gd(off)是密勒效应电容，在数据表中定义为 C_rss。

3量化关断栅极电阻

在量化关断电阻时，最坏的情况是当MOSFET 漏极处于关断时，外部动作迫使电阻整流。

在这种情况下，输出节点的dv/dt，诱导一股寄生电流穿过Cgd，流向 R_G(OFF)和 R_DRV(OFF)，如图 22 所示。

下面阐述了，当输出dv/dt 是由伴随 MSOFET 的导通造成时，如何量化关断电阻，如图22 示。

因为这个原因，关断阻抗必须根据最坏的应用情况来量化。下面的等式将MOSFET 栅极阈值电压和漏极 dv/dt关联起来：

4设计实例

使用飞兆的MOSFET FCP20N60 和栅极驱动器 FAN7382， 确定导通和关断栅极电阻。 FCP20N60 功率 MOSFET 的 参数如下：

Q_gs=13.5nC， Q_gd=36nC， C_gd=95pF， V_GS(th)=5V，V_GS(th)MIN=3V

4.1 导通栅极电阻

1) 如果 VDD=15V 时，所需的开关时间是 500ns，计算平均栅极充电电流：

导通电阻值大约是58Ω。

2)如果V_DD=15V时，dVout/dt=1V/ns，总栅极电阻计算为：

导通电阻值大约是62Ω。

4.2 关断栅极电阻

如果dVout/dt=1V/ns，关断栅极电阻可计算为：

7. 考虑功耗

1栅极驱动器的功耗

总的功耗包括栅极驱动器功耗和自举二极管功耗。栅极驱动器功耗由静态功耗和动态功耗两部分组成。它与开关频率，高端和低端驱动器的输出负载电容，以及电源V_DD有关。

静态功耗是因为低端驱动器的电源V_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V_S端的电压，后者仅在高端功率器件导通时与占空比成正比。

动态功耗定义如下：对于低端驱动器，动态功耗有两个不同的来源。一是当负载电容通过栅极电阻充电或放电时，进入电容的电能有一半耗散在电阻上。栅极驱动电阻的 功耗，栅 极 驱动器内 部的和外部 的，以及内 部CMOS 电路的开关功耗。同时，高端驱动器的动态功耗也包括两个不同的来源。一个是因为电平转换电路，一个是因为高端电容的充电和放电。这里，可以忽略静态功耗，因为集成电路的总功耗主要是栅极驱动IC 的动态功耗，可估算为：

图23 显示了当 V_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。

自举电路的功耗是自举二极管功耗和自举电阻功耗的总和，如果它们存在的话。自举二极管的功耗是对自举电容充电时产生的正向偏置功耗与二极管反向恢复时产生的反向偏置功耗的总和。因为每个事件每个周期发生一次，所以二极管的功耗与开关频率成正比。大电容负载需要更多的电流，对自举电容器重新充电，从而导致更多的功耗。

半桥输入电压 （V_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。

如果自举二极管在栅极驱动器内部的话，添加一个与内部自举二极管并联的外部二极管，因为二极管功耗很大。外部二极管必须放置在靠近栅极驱动器的地方，以减少串联寄生电感，并显著降低正向电压降。

2封装热阻

电路设计者必须提供：

估算栅极驱动器封装后的功耗

最高工作结温度 T_J,MAX,OPR，比如对于驱动器是120°C，如果取 T_J,MAX=150°C 的 80%。

最高工作引脚焊锡温度 T_L,MAX,OPR，大约等于驱动器下最大PCB 温度，比如 100°C。

最大允许结到引脚的热阻计算为：

8. 一般准则

1印刷电路板版图

具有最小寄生电感的版图如下：

开关之间的走线没有回路或偏差。

避免互连链路。它会显著增加电感。

降低封装体距离 PCB 板的高度，以减少引脚电感效应。

考虑所有功率开关的配合放置，以减少走线长度。

去耦电容和栅极电阻的布局和布线，应尽可能靠近栅极驱动集成电路。

自举二极管应尽可能靠近自举电容。

2自举部件

在量化自举阻抗和初次自举充电时的电流时，必须考虑自举电阻(R_BOOT)。如果需要电阻和自举二极管串联时，首先确认V_B不会低于 COM （地），尤其是在启动期间和极限频率和占空比下。

自举电容(C_BOOT) 使用一个低 ESR 电容，比如陶瓷电容。V_DD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。

自举二极管必须使用较低的正向压降，为了快速恢复，开关时间必须尽可能快，如超高速。

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