供高电压栅极驱动器IC使用的自举电路的设计和使用准则
高压栅极驱动 ic 自举电路的设计与应用指南(
一、概述高压栅极驱动IC自举电路是一种常用于驱动MOSFET等功率器件的电路，其设计与应用对于提高系统的性能和稳定性具有重要意义。
本文将从基本原理、设计要点和实际应用等方面，对高压栅极驱动IC自举电路进行全面系统的介绍和分析，旨在为工程师和研究人员提供一份全面且实用的指南。
二、基本原理1. 高压栅极驱动IC自举电路的概念高压栅极驱动IC（Integrated Circuit）自举电路是一种能够产生驱动信号所需的高压电源的电路，通常用于驱动功率开关器件（如MOSFET、IGBT等）。
2. 自举电路的工作原理自举电路通过外部电容器储存电荷，在需要驱动时将这部分电荷释放，从而形成高压供电。
该电路能够有效地提供驱动信号所需的高电压，同时具有简单、高效等特点。
三、设计要点1. 电容器的选择在设计高压栅极驱动IC自举电路时，电容器的特性对电路的性能具有重要影响。
电容器的选择应考虑其容量、工作电压和频率特性等。
2. 电源管理电路自举电路需要有稳定可靠的电源管理电路，来保证其供电过程的稳定性和可靠性。
在设计时应选用合适的稳压器、电源管理IC等器件。
3. 驱动信号的匹配高压栅极驱动IC自举电路应能够有效地匹配待驱动器件的输入电压和电流要求，以确保系统的性能和稳定性。
四、实际应用1. 在功率电子系统中的应用高压栅极驱动IC自举电路广泛应用于各种功率电子系统中，如电源逆变器、电机驱动器、变流器等。
2. 在新能源领域的应用随着新能源技术的快速发展，高压栅极驱动IC自举电路在太阳能、风能等领域得到了广泛的应用，为新能源系统的高效工作提供了重要支持。
五、总结高压栅极驱动IC自举电路作为一种常见的功率器件驱动方案，在现代电子系统中具有重要的应用价值。
本文通过对其基本原理、设计要点和实际应用进行了全面介绍，旨在帮助读者更好地了解和应用这一技术，并在实际工程中取得更好的效果。
文章的篇幅可能不足3000字，需要根据实际情况继续扩展内容。
mosfet自举电路
mosfet自举电路
MOSFET自举电路是一种常见的电路设计，用于提供驱动电路所需的电压。
在这篇文章中，我们将介绍MOSFET自举电路的工作原理、应用场景以及设计要点。
让我们来了解一下MOSFET自举电路的工作原理。
MOSFET自举电路利用电容器存储电荷的特性，通过周期性地充放电来提供所需的驱动电压。
当输入信号触发时，电容器会充电，然后在下一个周期释放储存的电荷，从而提供足够的电压来驱动负载。
这种设计可以有效地提高电路的效率和性能。
MOSFET自举电路通常用于驱动需要较高电压的负载，例如功率放大器、电机驱动器等。
通过合理设计电容器的参数和工作频率，可以实现较高的输出电压和电流，以满足不同应用场景的需求。
在设计MOSFET自举电路时，有几个关键的要点需要考虑。
首先是选择合适的MOSFET管和电容器，以确保电路的稳定性和可靠性。
其次是合理设计电路拓扑结构，包括输入信号的触发方式、电容器的充放电控制等。
最后是进行严格的电路仿真和实际测试，以验证设计的正确性和性能。
总的来说，MOSFET自举电路是一种高效、可靠的电路设计，广泛应用于各种需要高电压驱动的场合。
通过合理的设计和优化，可以实现更好的性能和效率。
希望本文能帮助读者更好地了解MOSFET
自举电路的工作原理和设计要点，从而在实际应用中取得更好的效果。
自举高边的单通道隔离栅极驱动器ic
自举高边的单通道隔离栅极驱动器ic1.单通道隔离栅极驱动器ic可以有效地隔离输入和输出信号。
A single-channel isolated gate driver IC can effectively isolate input and output signals.2.这种驱动器ic通常用于电力电子应用中的高压隔离。
This type of driver IC is commonly used for high-voltage isolation in power electronic applications.3.它能够提供高速和高效的栅极驱动。
It can provide high-speed and efficient gate driving.4.这种ic能够在低功耗和高频率下工作。
This IC can operate at low power and high frequency.5.它有助于降低系统功耗并提高效率。
It helps to reduce system power consumption and improve efficiency.6.单通道隔离栅极驱动器ic还具有过流和过温保护功能。
The single-channel isolated gate driver IC also has overcurrent and over-temperature protection features.7.这种ic适用于各种工业和汽车应用。
This IC is suitable for a variety of industrial and automotive applications.8.它能够有效地降低emc干扰。
It can effectively reduce EMC interference.9.这种ic的输出晶体管具有强大的推动能力。
The output transistor of this IC has powerful driving capability.10.它还具有短路保护和低电压锁定功能。
高压栅极驱动器自举电路设计
占空比和导通时间受限于自举电容 CBOOT，刷新电荷所 需时间的限制。
这个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 3 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路下拉到地以下，如图 4 所示。另外一个问题是，该负电压的转换可能会使自举 电容处于过压状态。
Ls2 RG2
ifree
Q2 㓁⌕䏃ᕘ
使用说明书
2.4 VS 引脚产生负电压的原因
如图 5 所示，低端续流二极管的前向偏置是已知的将 VS 下低到 COM （地）以下的原因之一。
主要问题出现在整流换向期间，仅仅在续流二极管开始 箝压之前。
在这种情况下，电感 LS1 和 LS2 会将 VS 压低到 COM 以 下，甚至超过如上所述的位置或正常稳态。
ᘶᯊ䯈
图 6. 关断期间的波形
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2.5 VS 引脚电压下冲的影响
如果电压下冲幅度超过规定的绝对最大额定值，栅极驱 动集成电路受到损害，或者栅极驱动集成电路暂时锁存 现态。
图 7 显示高端输出信号没有随输入信号而改变但发生闭 锁现象，此时，半桥电路中的外部主高端和低端开关处 于短路状态。
使用说明书
2.7 寄生电感效应
负电压的振幅是：
VS − COM = −(VRBOOT + VFDBOOT ) − (LS1 + LS2 )di dt
(1)
为了减小流过寄生电感的电流随时间变化曲线的斜度， 要使等式 1 中的导数项最小。
工程师经验之高压栅极驱动器自举电路设计
工程师经验之高压栅极驱动器自举电路设计引言高压栅极驱动器是一种用于驱动功率MOSFET或IGBT的电路，它能够产生高达几百伏甚至上千伏的栅极驱动电压。
高压栅极驱动器自举电路设计是工程师在高电压驱动应用中常遇到的问题之一，本文将从设计的步骤、原理和注意事项等方面进行介绍。
设计步骤设计高压栅极驱动器自举电路需要经过以下几个步骤：1.确定需求：首先需要明确所驱动的功率MOSFET或IGBT的工作电压范围以及其所需的栅极驱动电流。
这将有助于确定设计参数，如输出电压和电流。
2.选择元件：选择适合的电容器和二极管。
电容器应具有较高的工作电压和适当的电容值，以满足输出需求。
二极管应具有较高的反向电压和快速恢复特性。
3.设计方案：根据需求和所选元件，设计自举电路的基本方案。
常用的自举电路方案包括简单的单极性自举电路和更复杂的双极性自举电路。
其中，单极性自举电路是最简单的方案，但它不能提供负电压输出；而双极性自举电路可以提供正负电压输出，但相对复杂一些。
4.电路分析：对所选方案进行电路分析，计算理论值和估算实际性能。
这将涉及到电荷注入和放电过程的计算，以及电容器和二极管的工作特性等。
5.仿真验证：使用电路仿真软件验证设计。
通过仿真可以检验设计的正确性，优化参数设置，并评估电路性能。
6.确定元件参数：根据仿真结果和实际需求，确定具体的元件参数。
例如，电容器的容值和电阻值，二极管的反向电压和反向恢复时间等。
7.原理图和PCB设计：根据元件参数，绘制高压栅极驱动器自举电路的原理图，并设计相应的PCB版图。
原理图和PCB设计应满足高电压和高电流的要求，如高电压间隔和大电流走线等。
8.制作和测试：将设计的原理图和版图制作成实际的电路板，并进行测试和调试。
测试应包括输出电压和电流的测量、电路的稳定性和可靠性等。
注意事项在设计高压栅极驱动器自举电路时，需要注意以下几个方面：1.安全性：高压栅极驱动器自举电路涉及到高电压和高电流，所以在设计和制作时，必须严格遵守安全规范，如使用高压绝缘材料和设备，确保安全接地等。
600v单片集成ipm高压侧栅极驱动电路设计
600v单片集成ipm高压侧栅极驱动电路设计
设计一个600V单片集成IPM（智能功率模块）高压侧栅极驱动电路需要考虑到多个因素，包括电压等级、驱动能力、隔离要求、电磁兼容性等。
以下是一个基本的设计步骤和考虑因素：
1. 电压等级和安全裕量：考虑到600V的电压等级，设计时应留有足够的
安全裕量。
通常，实际应用中的电压可能高于或低于标称值，因此设计时应考虑这些极端情况。
2. 驱动能力：栅极驱动电路需要能够提供足够的电流来驱动IPM的功率开关。
这需要根据具体的IPM规格来确定。
3. 隔离要求：在高压应用中，隔离是关键。
需要考虑使用光耦、磁耦或者
其他隔离技术来确保电路的安全运行。
4. 电磁兼容性（EMC）：设计时需要考虑到EMC问题，如减小噪声、防
止电磁干扰等。
这可能涉及到滤波、屏蔽等措施。
5. 集成单片设计：考虑到单片集成的要求，应选择合适的芯片工艺和封装
形式。
同时，电路设计应尽量简洁高效，以减小芯片面积和成本。
6. 可靠性：在设计时应考虑采用一些可靠性措施，如降额设计、热设计等，以增强电路的稳定性。
7. 保护功能：考虑加入过流保护、过压保护、欠压保护等功能，以防止电
路在异常情况下受损。
8. 测试与验证：在设计完成后，需要进行充分的测试和验证，以确保电路的功能和性能满足要求。
具体设计时，还需要根据具体的IPM规格书和实际应用需求来进行调整。
如果需要更详细的设计指导或者具体电路图，建议寻求专业电子工程师的帮助。
AN-6076SC-自举电路讲解(中文版)
3. 自举部件的设计流程
3.1 选择自举电容
自举电容 (Cboot) 在低端驱动器导通，输出电压低于栅极 驱动器的电源电压 (VDD) 时每次都被充电。自举电容仅 当高端开关导通的时候放电。自举电容给高端电路提供
电源 (VBS)。首先要考虑的参数是高端开关处于导通时， 自举电容的最大电压降。允许的最大电压降 (VBOOT) 取决 于要保持的最小栅极驱动电压 （对于高端开关） 。如果
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tON = 高端导通时间；和 ILKDIODED = 自举二极管的漏电流；
电容器的漏电流，只有在使用电解电容器时，才需要考 虑，否则，可以忽略不计。
使用说明书
快恢复二极管RS1M的正向导通压降为VFW=1.3V
2. 高速栅极驱动电路
2.1 自举栅极驱动技术
本节重点讲在不同开关模式的功率转换应用中，功率型 MOSFET 和 IGBT 对自举式栅极驱动电路的要求。当输 入电平不允许高端 N 沟道功率型 MOSFET 或 IGBT 使用 直接式栅极驱动电路时，我们就可以考虑自举式栅极驱 动技术。这种方法被用作栅极驱动和伴发偏置电路，两 者都以主开关器件的源极作为基准。驱动电路和偏置电 路 都 在 相 对 于 器 件 源 极 的 两 个 输 入 电 压 之 间 摆 动。但 是，驱动电路和它的浮动偏置可以通过低压电路实现， 因为输入电压不会作用到这些电路上。驱动电路和接地 控制信号通过一个电平转换电路相连。该电平转换电路 必须允许浮动高端和接地低端电路之间存在高电压差和 一定的电容性开关电流。高电压栅极驱动 IC 通过独特的 电 平 转 换 设 计 差 分 开。为 了 保 持 高 效 率 和 可 管 理 的 功 耗，电平转换电路在主开关导通期间，不能吸收任何电 流。对于这种情况，我们经常使用脉冲式锁存电平转换 器，如图 1 所示。
高压栅极驱动ic自举电路的设计与应用指南
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图 12. 情况 2 的 VB 和 VS 波形 VB=VBS+VS<0导致寄生二极管DBCOM导通VB被箝位在0V 一 种 实 用 的 电 路 可 能 处 在 以 上 两 种 极 限 之 间，结 果 是 VBS 电压稍微增大，和 VB 稍低于 VDD，如图 13 所示。
VB
VS
VB 䖥 COM VBS ࡴ
LS2
GND
- VS
D1
iLOAD iFree
V COUT
OUT
图 5. 降压转换器 图 6 描述了高端 N 沟道 MOSFET 关断期间的电压波形。
图 3. 半桥式应用电路
HIN
t
VS -COM
-VS
t
㓁⌕
图 4. 关断期间的 VS 波形
A⚍
VBS
B⚍ C⚍ VGS=B-C П䯈
VDC+VGSˈᆚࢦ VDC
㛝ކথ⫳఼
IN
䌃䗮⬉⌕㸹ٓᷙᵕ偅ࡼ఼
VB
UVLO
HO
RR
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S
Q
VS
图 1. 高端驱动集成电路的电平转换器
2.2 自举式驱动电路工作原理
自举式电路在高电压栅极驱动电路中是很有用的，其工
作原理如下。当 VS 降低到 IC 电源电压 VDD 或下拉至地 时 （低端开关导通，高端开关关断），电源 VDD 通过自 举电阻， RBOOT，和自举二极管， DBOOT，对自举电容 CBOOT，进行充电，如图 2 所示。当 VS 被高端开关上拉 到一个较高电压时，由 VBS 对该自举电容充电，此时， VBS 电源浮动，自举二极管处于反向偏置，轨电压 （低 端开关关断，高端开关导通）和 IC 电源电压 VDD，被隔 离开。
例如：如果 VDD=15V， VS 下冲超过 10V，迫使浮动电 源电压在 25V 以上，二极管 DBS 有被击穿的危险，进而 产生闭锁。
如果 VS 电压下冲没有超过规定的绝对最大额定值，栅极 驱动 IC 不会受到损害。然而，当 VS 处于如图 8 所示的 下冲状态时，高端输出不会对输入转换作出响应。在这 种情况下，高端栅极驱动电路的电平转换器不会受到工 作电压余量不足的影响。需要注意的是，大多数事实证 明高端通常不需要在一个开关动作之后立即改变状态。
外部二极管导致的电压降大约为 0.7V。假设电容充电时
间等于高端导通时间 （占空比 50%）。根据不同的自举
VGSMIN 是最小的栅 - 源极电压，电容的电压降必须是：
Δ VBOOT = VDD − VF − VGSMIN
(2)
其中：
VDD = 栅极驱动器的电源电压；和 VF = 自举二极管正向电压降 [V]
计算自举电容为：
CBOOT
=
QTOTAL ΔVBOOT
(3)
其中 QTOTAL 是电容器的电荷总量。
在第一种情况中，使用了一个 “理想自举电路”，该电 路的 VDD 由一个零欧姆电源驱动，通过一个理想二极管 连接到 VB，如图 9 所示。当大电流流过续流二极管时， 由于 di/dt 很大，VS 电压将低于地电压。这时，闭锁危险 发生了，因为栅极驱动器内部的寄生二极管 DBS，最终 沿 VS 到 VB 方向导通，造成下冲电压与 VDD 叠加，使得 自举电容被过度充电，如图 10 所示。
何为闭锁现象
参考阎石主编数电第四
版Page114-116
或者Fairchild公司的
AN-600-Understanding
Latch-Up in Advanced
CMOS Logic
VCC
VCC
VB DBCOM
COM
VS
ᷙᵕ偅ࡼ఼
图 11. 情况 2：理想浮动电源
VB VS
VB ԢѢ COM
GND
Ls2 RG2
ifree
Q2 㓁⌕䏃ᕘ
使用说明书
2.4 VS 引脚产生负电压的原因
如图 5 所示，低端续流二极管的前向偏置是已知的将 VS 下低到 COM （地）以下的原因之一。
主要问题出现在整流换向期间，仅仅在续流二极管开始 箝压之前。
在这种情况下，电感 LS1 和 LS2 会将 VS 压低到 COM 以 下，甚至超过如上所述的位置或正常稳态。
自举电容的电荷总量通过等式 4 计算：
QTOTAL = QGATE + (ILKCAP + ILKGS + IQBS + ILK + ILKDIODE) ⋅ tON + QLS
(4)
其中：
QGATE = 栅极电荷的总量 ILKGS = 开关栅 - 源级漏电流； ILKCAP = 自举电容的漏电流； IQBS = 自举电路的静态电流； ILK = 自举电路的漏电流； QLS= 内部电平转换器所需要的电荷，对于所有的高压栅 极驱动电路，该值为 3nC ；
RBOOT DBOOT
Ⳉ⌕⑤
VDD
VB
VDD
HO
VS
COM
LO
RG1 CBOOT
RG2
㞾В⌕⬉⬉ܙ䏃ᕘ 㞾Вᬒ⬉⬉⌕䏃ᕘ
Q1 ILOAD
䋳䕑 Q2
图 2. 自举式电源电路
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2.3 自举式电路的缺点
于过压状态
自举电容 CBOOT，通过自举二极管 DBOOT，被电源 VDD 瞬间充电。
由于 VDD 电源以地作为基准，自举电容产生的最大电压 等于 VDD 加上源极上的负电压振幅。
Ⳉ⌕⑤
HIN LIN
RBOOT
DBOOT
VB
VDD
HO
HIN
LIN
VS
CIN
COM
LO
RG1 Q1 催ッ݇
CBOOT
Ls1 iLoad
ᘶᯊ䯈
图 6. 关断期间的波形
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2.5 VS 引脚电压下冲的影响
如果电压下冲幅度超过规定的绝对最大额定值，栅极驱 动集成电路受到损害，或者栅极驱动集成电路暂时锁存 现态。
图 7 显示高端输出信号没有随输入信号而改变但发生闭 锁现象，此时，半桥电路中的外部主高端和低端开关处 于短路状态。
自举式电路具有简单和低成本的优点，但是，它也有一 些局限。
占空比和导通时间受限于自举电容 CBOOT，刷新电荷所 需时间的限制。
这个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 3 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路下拉到地以下，如图 4 所示。另外一个问题是，该负电压的转换可能会使自举 电容处于过压状态。续流将Vs电平拉低为负可能导致电容处
减小寄生电感、降低开关速度可以减小负电压尖峰
3. 自举部件的设计流程
3.1 选择自举电容
自举电容 (Cboot) 在低端驱动器导通，输出电压低于栅极 驱动器的电源电压 (VDD) 时每次都被充电。自举电容仅 当高端开关导通的时候放电。自举电容给高端电路提供
电源 (VBS)。首先要考虑的参数是高端开关处于导通时， 自举电容的最大电压降。允许的最大电压降 (VBOOT) 取决 于要保持的最小栅极驱动电压 （对于高端开关） 。如果
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图 7. 闭锁情况下的波形
使用说明书
2.6 考虑闭锁效应
最完整的高电压栅极驱动集成电路都含有寄生二极管， 它被前向或反向击穿，就可能导致寄生 SCR 闭锁。闭锁 效应的最终结果往往是无法预测的，破坏范围从器件工 作时常不稳定到完全失效。栅极驱动集成电路也可能被 初次过压之后的一系列动作间接损坏。例如，闭锁导致 两输出驱动同时置于高态，造成交叉传导，从而导致开 关故障，并最终使栅极驱动器集成电路遭受灾难性破 坏。如果功率转换电路和 / 或栅极驱动集成电路受到破 坏，这种失效模式应被考虑成一个可能的根本原因。下 面的理论极限可用来帮助解释 VS 电压严重不足和由此产 生闭锁效应之间的关系。
使用说明书 AN-6076
供高电压栅极驱动器 IC 使用的自举电路的设计和使用准则
1. 引言
本文讲述了一种运用于功率型 MOSFET 和 IGBT 设计高 性能自举式栅极驱动电路的系统方法，适用于高频率， 大功率及高效率的开关应用场合。不同经验的电力电子 工程师们都能从中获益。在大多数开关应用中，开关功 耗主要取决于开关速度。因此，对于绝大部分本文阐述 的大功率开关应用，开关特性是非常重要的。自举式电 源 是 一 种 使 用 最 为 广 泛 的，给 高 压 栅 极 驱 动 集 成 电 路 (IC) 的高端栅极驱动电路供电的方法。这种自举式电源 技术具有简单，且低成本的优点。但是，它也有缺点， 一是占空比受到自举电容刷新电荷所需时间的限制，二 是当开关器件的源极接负电压时，会发生严重的问题。 本文分析了最流行的自举电路解决方案；包括寄生参 数，自举电阻和电容对浮动电源充电的影响。
该负电压的放大倍数正比于寄生电感和开关器件的关断 速度， di/dt ；它由栅极驱动电阻， RGATE 和开关器件的 输入电容， Ciss 决定。 Cgs 和 Cgd 的和，称为密勒电容。
VCC 䕧ܹ
CDRV
DBOOT
VDC
IN VDD GND
HVIC
VB
CBOOT
Q1
HO
A
B RGATE
VS
C
LS1 C
2. 高速栅极驱动电路
2.1 自举栅极驱动技术
本节重点讲在不同开关模式的功率转换应用中，功率型 MOSFET 和 IGBT 对自举式栅极驱动电路的要求。当输 入电平不允许高端 N 沟道功率型 MOSFET 或 IGBT 使用 直接式栅极驱动电路时，我们就可以考虑自举式栅极驱 动技术。这种方法被用作栅极驱动和伴发偏置电路，两 者都以主开关器件的源极作为基准。驱动电路和偏置电 路 都 在 相 对 于 器 件 源 极 的 两 个 输 入 电 压 之 间 摆 动。但 是，驱动电路和它的浮动偏置可以通过低压电路实现， 因为输入电压不会作用到这些电路上。驱动电路和接地 控制信号通过一个电平转换电路相连。该电平转换电路 必须允许浮动高端和接地低端电路之间存在高电压差和 一定的电容性开关电流。高电压栅极驱动 IC 通过独特的 电 平 转 换 设 计 差 分 开。为 了 保 持 高 效 率 和 可 管 理 的 功 耗，电平转换电路在主开关导通期间，不能吸收任何电 流。对于这种情况，我们经常使用脉冲式锁存电平转换 器，如图 1 所示。