高壓柵極驅(qū)動(dòng)器的功率耗散和散熱分析，一文get√

高頻率開(kāi)關(guān)的MOSFET和IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器，可能會(huì)產(chǎn)生大量的耗散功率。因此，需要確認(rèn)驅(qū)動(dòng)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(dòng)集成電路（HVIC）是專為半橋開(kāi)關(guān)應(yīng)用設(shè)計(jì)的高邊和低邊柵極驅(qū)動(dòng)集成電路，驅(qū)動(dòng)高壓、高速MOSFET 而設(shè)計(jì)。《高壓柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)態(tài)功率損耗分析、柵極驅(qū)動(dòng)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(jí)、欠壓鎖定保護(hù)、電平轉(zhuǎn)換器和輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)。柵極驅(qū)動(dòng)器損耗包括：

■ 當(dāng)驅(qū)動(dòng)器處于偏置狀態(tài)且未進(jìn)行開(kāi)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(kāi)關(guān)信號(hào)時(shí)與動(dòng)態(tài)電流相關(guān)的動(dòng)態(tài)損耗，與開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)。

■ 與負(fù)載開(kāi)關(guān)電荷相關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)損耗，直接依賴于開(kāi)關(guān)頻率。

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(dòng)態(tài)損耗中。然而，不容忽視的是啟動(dòng)過(guò)程中為自舉電容充電的瞬時(shí)功率損耗。在此期間，會(huì)有大量電流流過(guò)二極管，對(duì)自舉電容快速充電，并在幾個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)產(chǎn)生相對(duì)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(dòng)時(shí)，這部分損耗將增加驅(qū)動(dòng)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(dòng)器相關(guān)的半橋開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化示意圖，以解釋靜態(tài)損耗。

圖 2. 針對(duì)靜態(tài)功率損耗的驅(qū)動(dòng)器和半橋配置的簡(jiǎn)化電路圖

靜態(tài)損耗，是由低邊驅(qū)動(dòng)器中直流電壓源 VDD到地的靜態(tài)電流，以及高邊驅(qū)動(dòng)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(wú)輸入開(kāi)關(guān)信號(hào)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(dòng)器接通電源后即一直存在，與輸入信號(hào)的頻率無(wú)關(guān)。

然而，大部分功率損耗在驅(qū)動(dòng)器打開(kāi)或關(guān)閉電源時(shí)產(chǎn)生。因此，IQDD包含在開(kāi)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(dòng)器數(shù)據(jù)手冊(cè)中沒(méi)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(dòng)態(tài)功率損耗分析

現(xiàn)在我們來(lái)考慮一下主要的損耗源。圖 3 顯示了解決動(dòng)態(tài)損耗問(wèn)題的驅(qū)動(dòng)器電路圖。第一種動(dòng)態(tài)損耗是指高邊驅(qū)動(dòng)電平轉(zhuǎn)換（LS）中的損耗，即 PLS。

圖 3. 驅(qū)動(dòng)器和半橋配置的動(dòng)態(tài)和功率損耗簡(jiǎn)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(cè)中找不到。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在這種情況下， 600 V 高邊驅(qū)動(dòng)器的Qinternal值約為 0.6~1.5 nC，100 - 200 V 驅(qū)動(dòng)器的Qinternal值約為 0.4~1 nC。一些使用舊技術(shù)的驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品可能具有相對(duì)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(dòng)器中，該值越來(lái)越低，如果沒(méi)有提供 Qinternal的值，則可以忽略該損耗。

第二項(xiàng)動(dòng)態(tài)損耗，與 VDD和 VBOOT電源供電的輸出級(jí)工作電流有關(guān)。當(dāng)輸出級(jí)驅(qū)動(dòng)外部功率器件時(shí)，動(dòng)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(dòng)器引腳 VB 上的工作電流。這種功率損耗來(lái)自動(dòng)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(cè)參數(shù)，并考慮開(kāi)關(guān)頻率后確定。

如果數(shù)據(jù)手冊(cè)沒(méi)有提供 IDD和 IBS隨開(kāi)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(wú)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(kāi)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(cè)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。

FSW為目標(biāo)頻率，F(xiàn)SW_DS為數(shù)據(jù)手冊(cè)中的指定頻率。

如果數(shù)據(jù)手冊(cè)中指定了IDD（或IBS）的負(fù)載條件，例如1 nF電容，則可以通過(guò)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(huì)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(cè)量或使用仿真工具，來(lái)確定準(zhǔn)確的電流值。

CLOAD是數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的負(fù)載電容

圖 4. 柵極驅(qū)動(dòng)功率損耗的驅(qū)動(dòng)器和半橋配置簡(jiǎn)化電路圖

柵極驅(qū)動(dòng)損耗分析

驅(qū)動(dòng)器中的柵極驅(qū)動(dòng)損耗是在開(kāi)關(guān)頻率下提供柵極電流以開(kāi)關(guān)負(fù)載 MOSFET 所產(chǎn)生的最大功率損耗。柵極驅(qū)動(dòng)損耗來(lái)自負(fù)載電容的充電和放電（對(duì)于 MOSFET，負(fù)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(kāi)關(guān)頻率。在軟開(kāi)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(dòng)器的總柵極驅(qū)動(dòng)損耗是 Pcharging 的 4 倍。

由于主要的功率損耗是柵極驅(qū)動(dòng)損耗，因此計(jì)算驅(qū)動(dòng)器損耗的最簡(jiǎn)單快捷的方法是將柵極驅(qū)動(dòng)損耗（Pgate_drving）和 VDD上的動(dòng)態(tài)損耗相加。這些損耗在中等電壓級(jí)別的高低邊驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品中占 90% 以上。

熱分析

一旦計(jì)算出驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部消耗的功率，我們就可以估算驅(qū)動(dòng)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(píng)估。熱方程如下：

其中

TJ= 驅(qū)動(dòng)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(cè)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(cè)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(cè)中的熱信息來(lái)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(duì)空氣熱阻。測(cè)量芯片結(jié)和空氣之間的熱流。主要適用于沒(méi)有任何外部散熱器的封裝。

■ θjc是結(jié)到外殼熱阻，測(cè)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?？捎糜诠浪銘?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(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供的熱信息并不能涵蓋所有應(yīng)用場(chǎng)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。

1.  增加外部柵極電阻以分散功率損耗：如果在驅(qū)動(dòng)器和 MOSFET 之間不插入外部柵極電阻，功率將完全耗散在驅(qū)動(dòng)器封裝內(nèi)部。使用外部柵極電阻可以在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部柵極電阻和插入的外部電阻之間分擔(dān)功率損耗。分擔(dān)比例由兩個(gè)電阻之間的比率決定。外部柵極電阻越大，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的功率損耗就越小。

2.  降低開(kāi)關(guān)頻率。開(kāi)關(guān)頻率對(duì)功率損耗的影響最大，因此只要應(yīng)用允許，就可以降低開(kāi)關(guān)頻率。

3.  使用散熱器。擴(kuò)大 PCB 面積，在驅(qū)動(dòng)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(dòng)器和 MOSFET 均提供此選項(xiàng)。

降低開(kāi)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(huì)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(dòng)強(qiáng)度以減少 EMI。這也會(huì)對(duì)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(dòng)功率損耗的計(jì)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如果RON=ROFF=Rg，與沒(méi)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(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(dòng)損耗將降至 83%。