IGBT／MOSFET 的基本柵極驅動光耦合器設計

本應用筆記涵蓋了計算柵極驅動光耦合器 IC 的柵極驅動器功率和熱耗散的主題。柵極驅動光耦合器用于驅動、開啟和關閉功率半導體開關、MOSFET/IGBT。柵極驅動功率計算可分為三部分；驅動器內部電路中消耗或損失的功率、發送至功率半導體開關(IGBT/MOSFET)的功率以及驅動器IC和功率半導體開關之間的外部組件處（例如外部柵極電阻器上）損失的功率。在以下示例中，我們將討論使用 Avago ACPL-332J（2.5nApeak 智能柵極驅動器）的 IGBT 柵極驅動器設計。

本應用筆記涵蓋了計算柵極驅動光耦合器 IC 的柵極驅動器功率和熱耗散的主題。柵極驅動光耦合器用于驅動、開啟和關閉功率半導體開關、MOSFET/IGBT。柵極驅動功率計算可分為三部分；驅動器內部電路中消耗或損失的功率、發送至功率半導體開關(IGBT/MOSFET)的功率以及驅動器IC和功率半導體開關之間的外部組件處（例如外部柵極電阻器上）損失的功率。在以下示例中，我們將討論使用 Avago ACPL-332J（2.5nApeak 智能柵極驅動器）的 IGBT 柵極驅動器設計。本設計指南也適用于 MOSFET 柵極驅動器。
IGBT/MOSFET 柵極電阻
選擇 RG 值時，重要的是要從柵極驅動器 IC 和功率半導體開關 MOSFET/IGBT 的角度來考慮。對于柵極驅動器 IC，我們選擇的 RG 在 IC 允許功耗額定值范圍內，同時提供/吸收盡可能高的驅動器電流。從IGBT或MOSFET的角度來看，柵極電阻影響導通和關斷期間的電壓變化dVCE/dt和電流變化diC/dt。
因此，當設計人員選擇 IGBT 或 MOSFET 時，選擇合適的柵極驅動器光耦合器非常重要，因為該驅動器的電流和額定功率決定了 IGBT 或 MOSFET 導通或關斷的速度。

IC 允許額定功率內的柵極驅動電源操作
柵極驅動光耦合器的功耗是 IGBT/MOSFET 的輸出側功率（紅色圓圈）和由于輸入 LED 功耗而產生的輸入側功率（藍色圓圈）的組合。由于驅動集電極開路晶體管的電流很小，因此可以忽略用于故障反饋的第二個 LED 的功耗。
計算步驟為：
根據峰值柵極電流計算所需的 RG
計算總功耗
將步驟 #2 中計算出的輸入和輸出功耗與 IC 的建議功耗進行比較。（如果超過了推薦水平，則可能需要提高 RG 值以降低開關功率并重復步驟 #2。
在此示例中，ACPL-332J 的總輸入和輸出功耗是根據以下條件計算的：
IG = 離子， ~ 2.5 A
VCC2 = 18V
VEE = -5 V，（注：如果應用中不需要負電壓電源，則 VEE = 0 V）
fSWITCH = 15 kHz
環境溫度 = 70°C
步驟 I：根據 IOL 峰值規格計算 RG 值

為了找到峰值充電 IOL，假設柵極初充電至穩態值 VCC。對于 ACPL-332J，70°C 時 2.5 A 輸出的電壓降線性近似為 6.3 V（圖 2：VOL 與 IOL）。因此應用以下關系：

步驟 II：計算柵極驅動器中的總功耗：
總功耗 (PT) 等于輸入側功耗 (PI) 和輸出側功耗 (PO) 之和：
[tex]P_{T} = P_{I} + P_{O}[/tex]
[tex]P_{I} = IF_{(ON)} ,max * V_{F},max[/tex]
在哪里，
[tex]IF_{(ON)}，值 = 12 mA[/tex]
[tex]V_{F}，值 = 1.95 V[/tex]
IF(ON) 可以在建議的工作條件下找到，VF 可以在 ACPL-332J 數據表的電氣規格表 5 中找到。