AN-6076高压栅极驱动 IC 自举电路的设计与应用指南

CoolSiCMOSFET的栅极驱动设计指南由米勒电容引起的寄生导通通常被认为是当今碳化硅MOSFET的薄弱环节。

为了避免这种影响，硬开关转换器的栅极驱动设计通常采用负关断栅极电压来实现。

但是，CoolSiC™MOSFET确实需要吗？所有栅极驱动设计的关键要素是栅极电压电平的选择。

借助CoolSiC MOSFET技术，英飞凌允许设计人员在18 V至15 V之间选择导通栅极电压，从而将开关配置为分别具有最高的载流能力或短路耐用性。

另一方面，关断栅极电压电平仅需确保器件保持安全关断状态。

英飞凌鼓励设计人员在0 V电压下工作其分立MOSFET，并受益于简化栅极驱动电路。

为强调这一鼓励，本文介绍了一种易于再现的方法来表征碳化硅MOSFET的敏感性，并提供测试结果使用分立式CoolSiC MOSFET获得。

寄生开启效应半导体开关的不期望的导通可能是由对栅极的电感性和电容性反馈引起的。

但是，与碳化硅MOSFET结合使用时，通常考虑的是通过Miller电容的电容反馈。

在图1中显示了一种解释这种效果的方案。

低侧开关S2的体二极管传导负载电流IL，直到高侧开关S1导通。

负载电流换向S1之后，S2的漏源电压开始增加。

在此阶段，上升的漏极电势通过米勒电容CGD上拉S2的栅极电压。

关断栅极电阻器试图抵消并拉低电压。

如果该电阻值不足以拉低电压，则该电压可能会超过阈值电平，从而导致直通并增加开关损耗。

图1：体二极管关断期间米勒电容CGD的影响。

自然，直通事件的风险和严重性取决于特定的操作条件和测量硬件。

最关键的工作点是在高总线电压，陡峭的电压上升和较高的结温下。

这些条件不仅导致栅极电压上拉更强，而且降低了阈值水平。

在硬件方面，影响的主要因素是与CGD并联的不希望有的寄生板电容，与CGS并联的外部电容器，关断栅极电压以及关断栅极电阻。

表征设置和方法设计人员经常研究特定半导体开关的栅极电荷曲线，以了解其对寄生导通的敏感性。

尽管这种方法非常简单（对数据表进行简要介绍就足够了），但实际上并不能为应用得出结论。

高速MOSFET门极驱动电路的设计应用指南author Laszlo Baloghtranslator Justin Hu摘要本文主要演示了一种系统化的方法来设计高速开关装置的高性能门极驱动电路。

文章收集了大量one-stop-shopping 主题的信息来解决最普通的设计挑战。

因此它应当对各种水平的电力电子工程师都适用。

最常用的电路方案和它们的性能都经过了分析，包括寄生参数、瞬时和极端运行条件的影响。

文章首先回顾了MOSFET技术和开关运行模式，然后由简入繁地讨论问题。

详细的描述了参考地和高端门极驱动电路的设计程序、交流耦合和变压器隔离方案。

专门的一章用来介绍同步整流装置中MOSFET的门极驱动要求。

文章另举出了几个设计的实例，一步一步进行了说明。

Ⅰ.引言MOSTET是金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)的缩写，是电子工业中高频、高效率开关装置的关键器件。

令人惊叹的是，场效应晶体管技术发明于1930年，比双极性晶体管早了大约20年。

第一个信号级别的场效应晶体管20世纪50年代末期被制造出来，功率级别的MOSFET在20世纪70年代中期出现。

而今天无数的MOSFET被集成到现代电子器件中，无论是微处理器还是分立的功率晶体管。

本文所关注的是功率MOSFET在各种各样的开关模式功率变换器装置中门极驱动的要求。

Ⅱ.MOSFET技术双极型和MOSFET晶体管都使用了同样的工作原理。

从根本上讲，这两种晶体管都是电荷控制的器件，这就意味着它们的输出电流和控制电极在半导体中建立的电荷成比例。

当这些器件用作开关时，它们都必须被一个低阻抗的电源驱动，电源要能提供足够的充放电电流来使它们快速建立或释放控制电荷。

从这一点来看，MOSFET在开关过程中必须和双极性晶体管一样通过“硬”驱动才能获得类似的开关速度。

理论上，双极型和MOSFET器件的开关速度几乎一样，由载流子运动经过半导体区域所需要的时间决定。

数明HVIC栅极驱动器应用手册----以下内容以SLM2304S为例讲述简介上海数明HVIC栅极驱动器SLM2304S用于驱动最高600V的N沟道MOSFET或IGBT，兼容IR2304(S)系列，广泛应用于BLDC，大功率DC-DC电源，家电，步进驱动器，逆变器等领域。

本文旨在介绍栅极驱动器的基本功能，外围电路设计，参数选型，以及layout注意事项，方便工程师设计应用。

UVLOSLM2304S集成了高低边欠压保护功能(UVLO)，特别是高边欠压保护功能可以有效防止上电启动过程中高边误输出，避免出现上电时炸机现象。

当VCC/VBS电压下降至VCCUV-/VBSUV 阈值以下时关闭输出，VCC/VBS电压上升至VCCUV+/VBSUV+阈值以上时才打开输出。

0.7V 迟滞电压以防止VCC/VBS电压抖动而误触发欠压保护。

互锁功能SLM2304S有两路输入，HIN和LIN，分别控制高边输出HO以及低边输出LO。

HIN和HO同相位，LIN和LO同相位。

为防止输入控制出错，例如输入同为高，输出也同为高，从而导致MOS/IGBT共 的情况，SLM2304S采用了互锁设计，即当两路输入均为高时，输出均为低，确保输出端的安全。

当然，如果客户的应用就是需要输出HO和LO同为高的情况，我们推荐去掉了互锁功能的SLM2106B来满足这类特殊的应用。

典型应用线路VS脚⽣产负压的原因和对策l VS脚生产负压的原因自举式电源是一种应用广泛，给高边栅极驱动电路供电的方法，用来驱动高边N沟 的MOS 或者IGBT。

自举式电源技术具有结构简单，成本低的优点，但也存在缺点，其一是占空比无法做到100%，受到自举电容刷新电荷所需时间，VBS欠压保护阈值的限制，其二是会导致开关器件的源极看到负压，可能导致HVIC的输出错误。

自举式驱动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1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VS 引脚，可能会明显地将某些内部电压下拉到地以下，如图2所示。

简介纳微半导体公司的GaNFast 功率IC 采用了GaNSense 技术，具备控制、驱动、感应和保护等功能，适用于移动、消费、工业、数据中心和企业等市场领域的30W 至1kW 的应用。

集成栅极驱动消除了寄生栅极环路电感，并可以防止栅极振铃和毛刺。

集成的无损电流感应功能无需外部电流感应电阻，可提高系统效率，缩小PCB 占板面积，消除R CS 热点，并提供实时过流保护（OCP ）和过温保护（OTP ），实现针对短路和过载故障情况的快速且可靠的保护。

NV6169进一步将GaNSense 产品系列扩展到更高功率的应用，具备较低的45mΩR DS(ON)，采用了新型PQFN 8x8mm 封装，具备较大的散热焊盘，可实现卓越的散热管理。

本应用笔记详细介绍了NV6169和GaNSense 的功能、原理图和PCB 布线指南、电路示例和波形、以及散热管理说明。

这些说明可以帮助实现最高效率和功率密度，以实现最高水平的系统稳健性和可靠性。

图1. NV6169 PQFN 8x8封装底部视图（左）及简化原理图（右）漏极引脚（D ）I/O 引脚源极引脚（S ）源极散热焊盘概述凭借集成的栅极驱动、宽范围的V CC 和PWM 输入、内部ESD 保护和较大的散热焊盘等优势，GaNFast 功率IC 已在多种高密度电源产品中得到采用。

GaNSense 技术还提供另一层关键特性，包括无损电流感应、OCP 、OTP 和自动待机模式，这些特性可以提高系统稳健性和可靠性，实现更高的系统效率，并降低待机功耗。

这些GaN 功率IC 具有易用性和设计灵活性，可与所有流行的拓扑和控制器兼容，可实现高频开关。

为了进一步将GaNSense 产品系列扩展到更高功率的应用，NV616945m Ω版本采用了PQFN 8x8封装。

NV6169的IC 引脚包括（见图1）漏极引脚（D ）、源极引脚（S ）、I/O 引脚、以及一个较大的源极散热焊盘。

I/O 引脚包括IC 电源引脚、PWM 输入、dV/dt 导通控制、电流感应输出和故障输出。

nmos管高边驱动电路
NMOS管高边驱动电路通常用于电源转换应用中，例如在Buck、Boost和Buck-Boost等拓扑中。

高边驱动电路通过控制NMOS管的栅极电压来控制其导通和关断。

以下是NMOS管高边驱动电路的基本原理：
1.NMOS管的主回路电流方向为D极到S极，导通条件为VGS有一定的压差，即VG-VS>VTH。

2.把NMOS作为下管，S极接地，只要给G极一定电压即可控制其导通关断。

3.在一些拓扑中，比如Buck、Boost和Buck-Boost等，需要采用自举驱动电路来驱动上MOS管。

自举驱动电路通过电容连接到VCC 端，下接上MOS管的S极。

4.当需要导通上MOS管时，先给自举电容充电，使其电压达到VCC，然后通过二极管连接到上MOS管的S极，使上MOS管导通。

5.当需要关断上MOS管时，自举电容通过二极管放电，使上MOS 管的S极电压为0V，从而使其关断。

需要注意的是，在选择NMOS管作为高边驱动电路时，需要考虑其开通速度、额定电流和导通内阻等参数，以确保电路能够正常工作。

同时，还需要考虑自举驱动电路的电容值和耐压值，以满足电路的需求。

高速MOS 驱动电路设计和应用指南简介MOSFET 是Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor的首字母缩写，它在电子工业高频、高效率开关应用中是一种重要的元件。

或许人们会感到不可思议，但是FET 是在1930 年，大约比双极晶体管早20 年被发明出来。

第一个信号电平FET 晶体管制成于二十世纪60 年代末期，而功率MOSFET 是在二十世纪80 年代开始被运用的。

如今,成千上万的MOSFET 晶体管集成在现代电子元件,从微型的到“离散”功率晶体管。

本课题的研究重点是在各种开关模型功率转换应用中栅极驱动对功率MOSFET 的要求。

场效应晶体管技术双极晶体管和场效应晶体管有着相同的工作原理。

从根本上说,，两种类型晶体管均是电荷控制元件，即它们的输出电流和控制极半导体内的电荷量成比例。

当这些器件被用作开关时，两者必须和低阻抗源极的拉电流和灌电流分开，用以为控制极电荷提供快速的注入和释放。

从这点看，MOS-FET 在不断的开关，当速度可以和双极晶体管相比拟时，它被驱动的将十分的‘激烈' 。

理论上讲，双极晶体管和MOSFET 的开关速度是基本相同的，这取决与载流子穿过半导体所需的时间。

在功率器件的典型值为20 ~ 200皮秒，但这个时间和器件的尺寸大小有关。

与双极结型晶体管相比，MOSFET 在数字技术应用和功率应用上的普及和发展得益于它的两个优点。

优点之一就是在高频率开关应用中MOSFET 使用比较方便。

MOSFET 更加容易被驱动，这是因为它的控制极和电流传导区是隔离开的，因此不需要一个持续的电流来控制。

一旦MOSFET 导通后，它的驱动电流几乎为0。

另外，在MOSFET 中，控制电荷的积累和存留时间也大大的减小了。

这基本解决了设计中导通电压降（和多余的控制电荷成反比）和关断时间之间的矛盾。

因此，MOSFET 技术以其更加简单的、高效的驱动电路使它比晶体管设备具有更大的经济效益。