【導(dǎo)讀】高頻率開關(guān)的MOSFET和IGBT柵極驅(qū)動器，可能會產(chǎn)生大量的耗散功率。因此，需要確認驅(qū)動器功率耗散和由此產(chǎn)生的結(jié)溫，確保器件在可接受的溫度范圍內(nèi)工作。高壓柵極驅(qū)動集成電路（HVIC）是專為半橋開關(guān)應(yīng)用設(shè)計的高邊和低邊柵極驅(qū)動集成電路，驅(qū)動高壓、高速MOSFET 而設(shè)計。
高頻率開關(guān)的MOSFET和IGBT柵極驅(qū)動器，可能會產(chǎn)生大量的耗散功率。因此，需要確認驅(qū)動器功率耗散和由此產(chǎn)生的結(jié)溫，確保器件在可接受的溫度范圍內(nèi)工作。高壓柵極驅(qū)動集成電路（HVIC）是專為半橋開關(guān)應(yīng)用設(shè)計的高邊和低邊柵極驅(qū)動集成電路，驅(qū)動高壓、高速MOSFET 而設(shè)計?！陡邏簴艠O驅(qū)動器的功率耗散和散熱分析》白皮書從靜態(tài)功率損耗分析、動態(tài)功率損耗分析、柵極驅(qū)動損耗分析等方面進行了全面介紹。
圖 1 顯示了 HVIC 的典型內(nèi)部框圖。主要功能模塊包括輸入級、欠壓鎖定保護、電平轉(zhuǎn)換器和輸出驅(qū)動級。柵極驅(qū)動器損耗包括：
● 當驅(qū)動器處于偏置狀態(tài)且未進行開關(guān)時，高邊和低邊電路中靜態(tài)電流相關(guān)的靜態(tài)損耗。
● 當施加開關(guān)信號時與動態(tài)電流相關(guān)的動態(tài)損耗，與開關(guān)頻率有關(guān)。
● 與負載開關(guān)電荷相關(guān)的柵極驅(qū)動損耗，直接依賴于開關(guān)頻率。
圖 1. HVIC 框圖
本文將不討論自舉二極管的損耗，因為二極管的電流包括在動態(tài)損耗中。然而，不容忽視的是啟動過程中為自舉電容充電的瞬時功率損耗。在此期間，會有大量電流流過二極管，對自舉電容快速充電，并在幾個開關(guān)周期內(nèi)產(chǎn)生相對較高的損耗。自舉二極管必須能承受這些電流和功率損耗，當二極管啟動時，這部分損耗將增加驅(qū)動器的內(nèi)部功率損耗。
靜態(tài)功率損耗分析
圖 2 顯示了與高低邊驅(qū)動器相關(guān)的半橋開關(guān)網(wǎng)絡(luò)簡化示意圖，以解釋靜態(tài)損耗。
圖 2. 針對靜態(tài)功率損耗的驅(qū)動器和半橋配置的簡化電路圖
靜態(tài)損耗，是由低邊驅(qū)動器中直流電壓源 VDD到地的靜態(tài)電流，以及高邊驅(qū)動器中電平轉(zhuǎn)換器的漏電流引起的，如下式所示。
其中，IQDD為無輸入開關(guān)信號時 VDD的靜態(tài)電流，VBOOT為 CBOOT 上的電壓，VDBOOT為自舉二極管上的正向壓降，VR為輸入電源的軌電壓，ILK為自舉引腳（圖 2 中 VB引腳）上的漏電流。靜態(tài)功率損耗在驅(qū)動器接通電源后即一直存在，與輸入信號的頻率無關(guān)。
然而，大部分功率損耗在驅(qū)動器打開或關(guān)閉電源時產(chǎn)生。因此，IQDD包含在開關(guān)模式的工作電流中，所以在這種情況下不應(yīng)考慮 PQuiescent。當 ILK 小到不足以忽略或 VBOOT電平非常高（如 1200 V ）時，應(yīng)考慮 PLeakage。如果驅(qū)動器數(shù)據(jù)手冊中沒有提供 ILK，則可以忽略這一損耗，它與其他損耗相比通常很小。
動態(tài)功率損耗分析
現(xiàn)在我們來考慮一下主要的損耗源。圖 3 顯示了解決動態(tài)損耗問題的驅(qū)動器電路圖。第一種動態(tài)損耗是指高邊驅(qū)動電平轉(zhuǎn)換（LS）中的損耗，即 PLS。
圖 3. 驅(qū)動器和半橋配置的動態(tài)和功率損耗簡化電路圖
Qinternal是電平轉(zhuǎn)換電路中使用的內(nèi)部 LDMOS的總柵極電荷。制造商通常不提供Qinternal規(guī)范，因此數(shù)據(jù)手冊中找不到。根據(jù)經(jīng)驗，在這種情況下， 600 V 高邊驅(qū)動器的Qinternal值約為 0.6~1.5 nC，100 - 200 V 驅(qū)動器的Qinternal值約為 0.4~1 nC。一些使用舊技術(shù)的驅(qū)動器產(chǎn)品可能具有相對較高的 Qinternal值，因此在高頻操作時應(yīng)考慮 PLS，但在最新技術(shù)的驅(qū)動器中，該值越來越低，如果沒有提供 Qinternal的值，則可以忽略該損耗。
第二項動態(tài)損耗，與 VDD和 VBOOT電源供電的輸出級工作電流有關(guān)。當輸出級驅(qū)動外部功率器件時，動態(tài)損耗（POP）由下面公式給出。
IDD是 VDD上的工作電流，IBS是高邊驅(qū)動器引腳 VB 上的工作電流。這種功率損耗來自動態(tài)工作條件下的內(nèi)部電流消耗。內(nèi)部電流 IDD和 IBS，應(yīng)在實際工作條件下參照數(shù)據(jù)手冊參數(shù)，并考慮開關(guān)頻率后確定。
如果數(shù)據(jù)手冊沒有提供 IDD和 IBS隨開關(guān)頻率變化的曲線，建議采用以下方法計算給定工作條件下的 IDD和 IBS。
如果在無負載時，IDD（或 IBS）工作在 20kHz（FSW_DS），那么在 100kHz（FSW）時的 IDD（或 IBS）大約是 20kHz 時的 5 倍，因為它與開關(guān)頻率成正比。
為了更準確地計算，在乘以5之前，從IDD或IBS中減去靜態(tài)電流。
例如，數(shù)據(jù)手冊中20kHz時的工作電流（IPDD）為0.5mA，靜態(tài)電流（IQDD）為0.05mA，100kHz時的IDD按以下公式計算。
FSW為目標頻率，F(xiàn)SW_DS為數(shù)據(jù)手冊中的指定頻率。
如果數(shù)據(jù)手冊中指定了IDD（或IBS）的負載條件，例如1 nF電容，則可以通過下式消除1 nF電容的電流影響。
需要注意的是，這個公式只是一個大致的估計，實際情況可能會因為電路的具體參數(shù)和工作條件而有所不同。在實際應(yīng)用中，最好進行實際測量或使用仿真工具，來確定準確的電流值。
CLOAD是數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的負載電容
圖 4. 柵極驅(qū)動功率損耗的驅(qū)動器和半橋配置簡化電路圖
柵極驅(qū)動損耗分析
驅(qū)動器中的柵極驅(qū)動損耗是在開關(guān)頻率下提供柵極電流以開關(guān)負載 MOSFET 所產(chǎn)生的最大功率損耗。柵極驅(qū)動損耗來自負載電容的充電和放電（對于 MOSFET，負載電容是 MOSFET 的輸入電容），用下式表示。
其中，Qg 是外部 MOSFET 的柵極總電荷，fsw 表示開關(guān)頻率。在軟開關(guān)拓撲中，Qg 等于 FET 或 IGBT 的柵源電荷 (Qgs)。因此，高、低邊驅(qū)動器的總柵極驅(qū)動損耗是 Pcharging 的 4 倍。
由于主要的功率損耗是柵極驅(qū)動損耗，因此計算驅(qū)動器損耗的最簡單快捷的方法是將柵極驅(qū)動損耗（Pgate_drving）和 VDD上的動態(tài)損耗相加。這些損耗在中等電壓級別的高低邊驅(qū)動器產(chǎn)品中占 90% 以上。
熱分析
一旦計算出驅(qū)動器內(nèi)部消耗的功率，我們就可以估算驅(qū)動器的結(jié)溫。這可以根據(jù)熱阻或類似熱設(shè)計（散熱和氣流）的特性進行評估。熱方程如下：
其中
TJ= 驅(qū)動器芯片的結(jié)溫
Rjx= 溫度上升與總功率耗散相關(guān)的熱阻 (θ) 或特性參數(shù) (Ψ)
Tx= 數(shù)據(jù)手冊熱特性表中定義的 x 點溫度。
熱信息如圖5和表1所示。封裝的熱特性是幾何形狀、邊界條件、測試條件等多個參數(shù)的函數(shù)。這就需要數(shù)值分析工具或建模技術(shù)，而這些工具或技術(shù)通常操作繁瑣。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊中的熱信息來精確估算結(jié)溫是非常困難的。
因此，回顧一下熱信息的定義很有必要。
θja是結(jié)對空氣熱阻。測量芯片結(jié)和空氣之間的熱流。主要適用于沒有任何外部散熱器的封裝。
θjc是結(jié)到外殼熱阻，測量芯片結(jié)和封裝表面之間的熱流。主要適用于使用某些外部散熱器的封裝。
Ψjt是結(jié)點到封裝頂部熱特性參數(shù)，提供了芯片溫度和封裝頂部溫度之間的相關(guān)性。可用于在應(yīng)用中估計芯片溫度
Ψjb是結(jié)點到電路板熱特性參數(shù)，提供了芯片溫度和電路板溫度之間的相關(guān)性。可用于估算應(yīng)用中的芯片溫度。
圖 5. 封裝的熱阻和特性參數(shù)。
表 1. 熱阻和特性參數(shù)的定義。
一般來說，半導(dǎo)體數(shù)據(jù)手冊中提供的熱信息并不能涵蓋所有應(yīng)用場景。在以下示例中，我們僅使用 θja 計算 Tj。
降低 Tj 的建議
如果 Tj 太接近建議的工作溫度，可以考慮以下幾種情況。
2. 降低開關(guān)頻率。開關(guān)頻率對功率損耗的影響最大，因此只要應(yīng)用允許，就可以降低開關(guān)頻率。
3. 使用散熱器。擴大 PCB 面積，在驅(qū)動器周圍增加覆銅。
4. 盡可能降低電源電壓 VDD。最新一代的驅(qū)動器和 MOSFET 均提供此選項。
降低開關(guān)頻率或電源電壓并不總是可行的，而且擴大印刷電路板或增加散熱手段往往受到限制。大多數(shù)情況下，人們會出于各種原因使用外部柵極電阻，例如限制寄生或高 dV/dt 引起的振鈴，調(diào)整柵極驅(qū)動強度以減少 EMI。這也會對功率損耗分布產(chǎn)生影響。添加外部柵極電阻后，柵極驅(qū)動功率損耗的計算如下：
其中，RON和 ROFF是內(nèi)部上拉和下拉電阻，Rgon和Rgoff是外部柵極電阻。簡單來說，如果RON=ROFF=Rg，與沒有外部柵極電阻相比，Psw將是總功率耗散的一半。
圖 6. 內(nèi)部上拉和下拉電阻。
以 NCV51511 為例，根據(jù) Vdd/峰值上拉（或下拉）電流計算，RON為 2 Ω，ROFF為 1 Ω。如果在輸出引腳和 MOSFET 柵極之間插入 1 Ω，則柵極驅(qū)動損耗將降至 83%。
該白皮書還介紹了電平轉(zhuǎn)換電路中的功率損耗、進行 NCV51511 的功率損耗計算和熱估算、在 FAN73912 上的應(yīng)用等，歡迎掃碼下載完整版白皮書。
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