设计指南使用高压门极驱动芯片目录简介 (1)自举电路 (2)自举电容选择 (2)考虑自举电路 (3)门极电阻 (4)门极开通电阻选取 (5)开关时间 (5)输出电压 斜率 (6)门极关断电阻选取 (6)寄生参数影响 (7)COM 低于G round (Vss-COM) (8)VS 低于 Ground (Vs-COM/VSS) (11)Vs 和V out间电阻 (11)Vs所需钳位二极管 (13)PCB布板指南 (14)高低电压间距 (14)铺地 (14)门极驱动回路 (14)供电电容 (15)走线和元件布放实例 (15)简介本文主要目的是祥述在应用高压门极驱动芯片驱动半桥时所可能遇到的最常见的问题及对策，应用实例是电机驱动。

下面的章节介绍：元件选取，如自举电路和门极开通、关断电阻等;半桥电路中的寄生元件及其影响，推荐了一些可能的解决方案。

最后介绍了布线指南。

所有的推荐方案，除非特别指出，都是针对IR典型的自举供电式门极驱动芯片的。

自举电路自举供电由一个二极管和一个电容组成，连接如图 1.图 1: 自举供电示意图这种方案的优势是简单且成本低，但是在占空比和导通时间方面会有局限，因为要求对自举电容反复充电放电。

正确的电容选择可以很大程度减小这种局限。

自举电容选择选择自举电容, 首先要计算在上管导通时的最小电压降 (ΔV BS )。

若V GEmin 是维持上管开通的最低门极电压，那么BS 的压降应该满足以下条件:CEonGE F CC BS V V V V V −−−≤∆min 在此条件下:−>BSUV GE V V min V CC 芯片供电电压， V F 是自举二极管正向导通压降, V CEon 下管导通电压，V BSUV- 高端供电门限。

如下我们考虑使得V BS 下降的因素:−IGBT 开启所需门极电荷 (Q G );−IGBT 栅源漏电流 (I LK_GE );−浮动静态电流 (I QBS );−浮动漏电流 (I LK )−自举二极管漏电流 (I LK_diode );−自举二极管前向导通时的压降(I DS- )−内部高压切换所需电荷 (Q LS );−自举电容漏电流 (I LK_CAP );−上管导通时间(T HON ).bootstrap diodebootstrap resistor motorV CCI LK_CAP 仅在使用电解电容时出现，而在使用其他类型电容时可以忽略.强烈推荐至少使用一个低ESR 的陶瓷电容 (电解电容和陶瓷电容并联是很有效的方案).那么:HONDS CAP LK DIODE LK LK QBS GE LK LS G TOT T I I I I I I Q Q Q ⋅+++++++=−)(___自举电容最小容值是:BSTOT BOOT V Q C ∆=min 实例如下:a)使用25A @ 125C IGBT (IRGP30B120KD)和半桥驱动芯片(IR2214):•I QBS = 800 µA (数据表 IR2214);•I LK = 50 µA (数据表 IR2214);•Q LS = 20 nC;•Q G = 160 nC (数据表 IRGP30B120KD);•I LK_GE = 100 nA (数据表 IRGP30B120KD);•I LK_DIODE = 100 µA (反向恢复时间<100 ns);•I LK_CAP = 0(陶瓷电容忽略此项);•I DS- = 150 µA (数据表 IR2214);•T HON = 100 µs.And:•V CC = 15 V •V F = 1 V•V CEonmax = 3.1 V •V GEmin = 10.5 V 最大电压压降 ΔV BS 是V V V V V V V V V V CEon GE F CC BS 4.01.35.10115min =−−−=−−−≤∆自举电容容值满足以下条件:nFVnCC BOOT 7254.0290=≥注释:1.以上V CC 选取为15V. 一些IGBT 需要更高的供电，那么就调整公式中的Vcc.2.这种自举电容的选取没有考虑占空比或选取没有考虑PWM 占空比或电流频率.仅仅考虑了上管浮动开通一次时所需要的门极电荷.若考虑了PWM 占空比, 自举电路选取时PWM 调制模式(6步，12步, 正弦波) 须加以考虑.考虑自举电路a.电压 纹波三种情况可能发生在自举电容充电的过程中 (见图 1):∙I LOAD < 0; 负载电流从下管流过，饱和压降为V CEonCEonF CC BS V V V V −−=这种情况下V BS 最低. 这代表自举电容选取最糟的情况. 当IGBT 关断时Vs 点被负载电流抬高，直到上管寄生二极管再次导通。

∙I LOAD = 0; 下管未开通，V CE 可忽略FCC BS V V V −=∙I LOAD > 0; 负载电流从寄生二极管流过FPF CC BS V V V V +−=这种情况有最高的V BS .为减小欠压电压的风险, 自举电容应该按照I LOAD <0的情况选取.b.自举电阻电阻 (R boot )和自举二极管串联 (见图1)以限制自举电容刚开始充电时的电流.自举电阻的选取严格和V BS 的时间常数相关.给自举电容充电的最小开通时间必须被考虑.c.自举电容对于高T HON ，会使用坦电解电容电容, 它的ESR 必须纳入考虑. 此寄生电阻和R boot 形成分压关系，使第一次给 V BS 充电时产生电压阶跃. 电压阶跃和相应的速度(dV BS /dt) 必须加以限制.作为通常的准则, ESR 必须遵循以下公式:VV R ESR ESRCC BOOT3≤⋅+低ESR 的陶瓷电容和电解电容并联通常是最好的折衷, 陶瓷电容的作用是利用它的低ESR 来限制第一次充电时的电压阶跃，即限制dV BS /dt, 而坦电容的容值来减小V BS 电压变化ΔV BS .d.自举二极管此二极管的反向耐压必须大于直流母线电压，并且反向恢复时间要够快 (trr < 100 ns)来减少在该时间内从自举电容向V CC 放掉的电荷.门极电阻被驱动管的开关速度由门极选取的电阻决定，该电阻控制门极开通和关断电流.以下部分介绍选取门极电阻的一些基本准则，总的门极电阻还包含芯片内部 的电阻 (R DRp 和R DRn 分别对应内部驱动的P 管和N 管).例子使用IGBT 作为功率开关. 图 2为各种符号的定义。

另外，V ge * 指平台电压电压, Q gc 和 Q ge 分别指开通IGBT 过程中，门极到集电极和门极到发射极所需电荷.图 2: 符号定义门极开通电阻选取选取门极电阻，用于控制开关时间或dV/dt.以下分别介绍。

开关时间在以下的讨论中, 开关时间 t sw 定义为从一开始到平台电压结束的时间 (包括送到IGBT 门极的开关总电荷Q gc + Q ge ). 为获得所需的开关时间，门极电阻的选取根据以下公式，由Q ge , Q gc , Vcc , V ge * 等因素决定(见图 3):swgegc avg t Q Q I +=及avggeTOT I V Vcc R *−=这里Gon DRp TOT R R R +=, R Gon = 门极开通电阻 , R DRp =驱动等效导通电阻 (从门极驱动数据表查阅)V ge *图 3: R Gon 选取表 1所示为使用两个常见的IGBT,数据表典型值，并假设Vcc=15V 时得到的门极电阻值输出电压 斜率门极开通电阻 R Gon 能用于控制输出电压斜率(dV OUT /dt).因为输出电压斜率变化是非线性的,最大输出电压斜率是以下公式:RESoffavg out C I dt dV =代入 I avg 并整理公式:dtdV C V Vcc R outRESoff geTOT⋅−=*作为例子, 表 2 所示为为获得dV out /dt=5V/ns 所选取的门极电阻，使用两个常见的IGBT,数据表典型值，并假设Vcc=15V .门极关断电阻选取选取R Goff 要考虑的最糟的情况是当IGBT 关断的时候被迫误导通的情况。

在这种情况下,下管已经关断，上管在开通过程中，因为在 C RESoff 两端的电压变化dV/dt 产生的电流流入 R Goff 和 R DRn (见图 4)1导致下管门极电位抬高.若下管门极电压超过了IGBT 的开启门极电压，它就会开通，因为这时上管亦开通，这就导致了直通。

1假设门极电压在dV/dt 变化时保持固定. C IES 比C RES 大两个数量级),ON图 4: R Goff 选取: 下管关断上管开通过程中电流的流向以下介绍如何选取门极关断电阻防止上（下）管开通时导致的下（上）管IGBT 的误导通 (见图 4).其他可能出现的dV/dt 也必须纳入考虑. 一个例子是由电机长引线耦合引起的dV/dt (高频尖刺).因此，门极关断电阻必须针对最糟的情况正确的选取。

以下是为防止下管误导通IGBT 门极门限电压需满足的公式：()()dtdV C R R I R R V out RESoffDRn Goff DRn Goff th ⋅+=⋅+≥整理为:DRnRESoffth Goff R dtdV C V R −⋅≤举个实例, 表 3 所示为对于两种典型的IGBT ，根据上式计算出的 R Goff （假设可耐受dV out /dt = 5V/ns ）.注释: 以上是理论的门极电阻选取计算方法. 实际中，选取电阻时，须考虑更准确的器件模型和由PCB 和布线连接引起的寄生参数。

选取门极电阻还需遵循功耗的限制，此处暂不讨论。

寄生参数影响图 5中所示为电机驱动的一相。

介绍一些驱动中的功率级特性。

图 5:功率级的寄生参数为了正确的功率驱动，了解杂散电感的效果非常重要。

在通常的情况下，由电流突变引起的快速电压变化有可能影响到门极驱动的性能。

因为上下管的输入信号都参考于同一个地，避免板上的铺地和地的走线接近板上的开关部分是很重要的. 这种方案减小了驱动开关耦合的噪声. 此外建议在ground脚和板上所有门极驱动的ground间使用星形接法(见后文布板指南).COM 低于Ground (Vss-COM)下管的关断造成了COM低于Vss的情况. 图 6 所示为半桥应用中下管附近一些杂散参数(为完整，电流传感电阻也纳入简图).图 6:下管关断时相关的寄生参数分析在下管流过负载电流时关断下管的情况（图6中，实线为负载电流，虚线为门极关断IGBT 时流出的电流）. 在关断过程中，流过寄生杂散电感 (L DC-) 的电流迅速变化，导致COM 电压低于ground. 电压计算公式如下: dtdI L V DC dc L DC L−−⋅=−.此公式说明COM 的负过冲大小和杂散电感大小及其电流变化率有关。