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高壓柵極驅(qū)動器的功率耗散和散熱分析,一文get√

發(fā)布時(shí)間:2024-10-08 責(zé)任編輯:lina

【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(rèn)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(jì)的高邊和低邊柵極驅(qū)動集成電路,驅(qū)動高壓、高速M(fèi)OSFET 而設(shè)計(jì)。


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(rèn)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(jì)的高邊和低邊柵極驅(qū)動集成電路,驅(qū)動高壓、高速M(fèi)OSFET 而設(shè)計(jì)?!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(jìn)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(hù)、電平轉(zhuǎn)換器和輸出驅(qū)動級。柵極驅(qū)動器損耗包括:

● 當(dāng)驅(qū)動器處于偏置狀態(tài)且未進(jìn)行開關(guān)時(shí),高邊和低邊電路中靜態(tài)電流相關(guān)的靜態(tài)損耗。

● 當(dāng)施加開關(guān)信號時(shí)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(fù)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。


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圖 1. HVIC 框圖


本文將不討論自舉二極管的損耗,因?yàn)槎O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(shí)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(gè)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(dāng)二極管啟動時(shí),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。

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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。


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其中,IQDD為無輸入開關(guān)信號時(shí) 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(shí)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(dāng) ILK 小到不足以忽略或 VBOOT電平非常高(如 1200 V )時(shí),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。


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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(yàn),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(shí)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(xiàng)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(dāng)輸出級驅(qū)動外部功率器件時(shí),動態(tài)損耗(POP)由下面公式給出。


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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(shí)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(jì)算給定工作條件下的 IDD和 IBS。


如果在無負(fù)載時(shí),IDD(或 IBS)工作在 20kHz(FSW_DS),那么在 100kHz(FSW)時(shí)的 IDD(或 IBS)大約是 20kHz 時(shí)的 5 倍,因?yàn)樗c開關(guān)頻率成正比。


為了更準(zhǔn)確地計(jì)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(shí)的工作電流(IPDD)為0.5mA,靜態(tài)電流(IQDD)為0.05mA,100kHz時(shí)的IDD按以下公式計(jì)算。


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FSW為目標(biāo)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(fù)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(gè)公式只是一個(gè)大致的估計(jì),實(shí)際情況可能會因?yàn)殡娐返木唧w參數(shù)和工作條件而有所不同。在實(shí)際應(yīng)用中,最好進(jìn)行實(shí)際測量或使用仿真工具,來確定準(zhǔn)確的電流值。


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CLOAD是數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的負(fù)載電容


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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(fù)載 MOSFET 所產(chǎn)生的最大功率損耗。柵極驅(qū)動損耗來自負(fù)載電容的充電和放電(對于 MOSFET,負(fù)載電容是 MOSFET 的輸入電容),用下式表示。


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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?fù)渲?,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。


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由于主要的功率損耗是柵極驅(qū)動損耗,因此計(jì)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(jì)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(jì)(散熱和氣流)的特性進(jìn)行評估。熱方程如下:


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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(diǎn)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(gè)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(diǎn)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??捎糜谠趹?yīng)用中估計(jì)芯片溫度

Ψjb是結(jié)點(diǎn)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。


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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。


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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(jì)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(kuò)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(xiàng)。


降低開關(guān)頻率或電源電壓并不總是可行的,而且擴(kuò)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(qiáng)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(jì)算如下:


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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。


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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(jì)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(jìn)行 NCV51511 的功率損耗計(jì)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。

本文轉(zhuǎn)載自:安森美


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