閘極驅動器電源需求

在高功率的轉換器應用中，無論是直流轉交流的轉換器或交流轉直流的逆變器，通常都是使用半橋或全橋的電路架構，如圖1所示。常見的開關元件為IGBT與MOSFET、SiC以及GaN。如果轉換器是電壓較高的應用，上臂開關驅動器就必須與地隔離。另外，驅動器與驅動器電源必須具備低隔離電容，避免漏電流造成溫度影響，以及主動開關切換時的雜訊造成系統誤動作。另外，在馬達驅動器應用，絕緣距離的需求也必需要納入考量。

選用不同的開關元件時，也必須注意相對應的驅動電壓以及功率，因此，本篇文章主要討論如何選擇驅動開關元件所需供給的電源。

 

1. 開關驅動方式

在討論開關的啟動之前，首先要先了解開關的基本特性，接著以N-MOSFET做為範例。如圖2(a)所示，MOSFET的閘極(gate)、汲極(drain)、源極(source)存在著寄生電容，一般在MOSFET的規格書中，會是以表1的C_iss、C_rss與C_oss三個參數表示。

• C_iss為輸入電容，是C_gs和C_gd加起來的電容，如果要導通MOSFET必須將對此電容充電，所需要的電荷量則是Q_gate。
• C_oss為輸出電容，是C_ds和C_gs加起來電容，如果要使MOSFET關閉，必須要等C_oss中所儲存的電荷釋放完畢。

C_rss反向轉移電容，當C_rss偏大時對切換速度有極大影響。而驅動所必要的電荷量就是Q_gd。

表1 MOSFET 寄生電容參數

Capacitances		Designation
Ciss	Cgs+Cgd	Input capacitance
Crss	Cgd	Reverse transfer capacitance
Coss	Cds+Cgd	Output capacitance

 

圖2(b)是開關的簡易啟動波形示意圖，基本上可以分成5個階段

• t0: 控制訊號先對C_gs充電，此時V_gs電壓低於V_gs(th)，MOSFET尚未導通。
• t1: 控制訊號持續對C_gs充電，當V_gs電壓到達V_gs(th)時，MOSFET開始導通，但尚未完全導通。
• t2: 控制訊號持續對C_gs充電，V_gs電壓維持在V_gs(pl)，MOSFET的V_ds電壓快速的下降。
• t3: 控制訊號對C_gd充電，此時V_gs電壓維持在V_gs(pl)，此時MOSFET接近導通。
• t4: 控制訊號對C_gs充電，V_gs電壓大於V_gs(pl)，此時MOSFET完全導通，

由上述可知，如欲將MOSFET導通，在必須對MOSFET輸入電容(C_iss)充電，過程中分別對C_gs與C_gd充電，啟動的總能量為Q_gate。MOSFET截止的過程與導通相反，必須將輸入電容(C_iss)中的電能移除。

 

2. 常見驅動電壓

表2為常見的開關驅動電壓，閘極驅動的正電壓應足夠高，以確保開關完全導通，且要注意不得超過閘極最大電壓。一般而言+12V會是驅動Si-MOSFET，+15V常用在驅動IGBT或SiC，GaN常使用+5V驅動。

對開關元件而言，閘極電壓為0V時，已經滿足截止的條件。但在實際應用上，常會外加負電壓，一方面是加速開關進入截止，但最主要的是避免開關誤動作。原因是，開關與驅動器的參考電位，實際應用上PCB有雜散電感與電容，在開關切換時，雜訊可能會影響到驅動器的閘極。開關的V_gs(th)在MOSFET、SiC與GaN很低，如果有超過1V的雜訊就有機會導通，造成上下臂開關短路，可能造成開關損壞。因此，在閘極外加負電壓可以減輕這個現象。

表2 常見的開關驅動電壓

	IGBT	Si-MOSFET	SiC	GaN
Turn on Vol.	+15V	+10V to 20V	+15V to 20V	+5V to +6V
Turn off Vol.	-5V to -15V	0V to -2V	-2V to -5V	0V to -3V
Common Drive Voltage	+15V/-9V	+12V/0V	+15V/-3V	+5V/0V
	+15V/-5V	-	+15V/-5V	+6V/-3V

 

1. 應用線路與計算方式

圖3為隔離驅動器，主要由隔離驅動器、隔離電源以及開關所組成。在設計時，第一步要先確認的就是開關元件的規格，再來是隔離驅動器的驅動電流，最後是選用適合的隔離電源。

• R_g: 在隔離驅動器與開關閘極之間，通常會串接電阻，以限制開關的導通速度，計算方式如下

I_{GP, source}與I_{GP, sink}是隔離驅動器的驅動與回收能力。

R_g-int是開關元件的閘極電阻。

• C_o: 隔離電源的輸出電容，主要用來提供隔離驅動器瞬間驅動電流，計算方式如下

Q_gate為開關元件的驅動總能量。

V_gate+為隔離電源的輸出正電壓，V_gate-為負電壓。

V_drop為輸出電壓降。

• P_iso: 隔離電源輸出功率。主要供電給隔離驅動器以及啟動開關。

P_{driver IC}是隔離驅動器的能量需求。

F_sw是系統的操作頻率。

 

4. 實際範例

範例1使用infineon的Si-MOSFET，型號為IPA95R450P7，並使用圖3的參考線路，實際計算所需要的參數

1. 使用的隔離驅動器的I_{GP, source}=6A與I_{GP, sink}=4A，Rg-int為1Ω。預計的驅動電壓為V_gate+=12V，V_gate-=-2V。透過以上資訊，可以計算R_g+與R_g-

建議R_g+至少要放1Ω，R_g-可以放0Ω。

2. 假設隔離轉換器的輸出電壓降，最多不能超過0.2V，Q_gate為35 nC，即可計算轉換器輸出電容

建議輸出電容C_o+與C_o-都放0.47uF到1uF。

3. 假設隔離驅動器的功耗為0.5W，開關的Q_gate為35 nC，操作頻率為100kHz，驅動電壓為V_gate+=12V，V_gate-=-2V，即可計算轉換器輸出功率

建議使用1W的隔離轉換器。

 

範例2使用infineon的IGBT，型號為AIKW75N60CT，並使用圖3的參考線路，實際計算所需要的參數

1. 使用的隔離驅動器的I_{GP, source}=6A與I_{GP, sink}=4A，Rg-int為0Ω。預計的驅動電壓為V_gate+=15V，V_gate-=-9V。透過以上資訊，可以計算R_g+與R_g-

建議R_g+至少要放2Ω，R_g-至少要放2.25Ω。

2. 假設隔離轉換器的輸出電壓降，最多不能超過0.3V，Q_gate為470 nC，即可計算轉換器輸出電容

建議輸出電容C_o+與C_o-都放2.2uF。

3. 假設隔離驅動器的功耗為0.5W，開關的Q_gate為470 nC，操作頻率為30kHz，驅動電壓為V_gate+=15V，V_gate-=-9V，即可計算轉換器輸出功率

建議選用1W到1.5W的隔離轉換器

 

5. 結論

不同的開關元件有相對應適合的驅動電壓，透過上述的公式與步驟，選擇適合的驅動器即可計算出閘極電阻、轉換器輸出電容以及轉換器輸出功率。如果，應用的環境為馬達驅動器，則必須要考量絕緣距離的需求，可以參考IEC 61800中的絕緣距離要求。

 

 

 

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