功率半導體驅動電源設計（一）綜述

工業(yè)應用中，功率半導體的驅動電源功率不大，設計看似簡單，但要設計出簡單低成本的電路并不容易，主要難點有幾點：

1、電路要求簡潔，占用線路板面積要小

一個EasyPACK? 2B 1200V 100A六單元IGBT模塊，周長20cm，占板面積27cm2，很小，在四周要安排布置6路驅動和4-6路隔離電源并不容易，如果需要正負電源就更復雜。

2、電力電子系統(tǒng)需要滿足相應的安規(guī)和絕緣配合標準，保證合規(guī)的爬電距離和電氣間隙，這使得PCB面積更捉襟見肘。

3、對于中大功率的功率模塊，驅動板會放在模塊上方，會受熱和直面較強的電磁干擾。

4、微溝槽IGBT7的QG也比較大，需要更大功率的驅動電源。

這就需要一個集成度高，外圍器件少，功率密度高的DCDC輔助電源方案，減小線路板面積，這對避免受干擾，提高可靠性也有幫助。這是開發(fā)EiceDRIVER? Power 2EP系列的背景。

2EP100R是全橋變壓器驅動器集成電路，頻率調節(jié)范圍50至695kHz，占空比從10%到50%可調，可產生正負非對稱輸出電壓，為隔離型柵極驅動器提供正負電源，在15V輸入，+15V/-7.5V輸出時，典型功率為5W，如果提高輸入電壓和占空比，輸出功率可望達到13W。2EP還集成了可調節(jié)過流閾值、輸出短路保護、過溫保護和UVLO保護等功能，使得驅動電路能正常可靠工作。

基本電路框圖

從管腳6和7的內部電路可以看出，這是一顆全橋驅動器，除了低壓、過溫、平均電流和峰值電流檢測和保護的功能外，振蕩器和占空比有精度保證，還帶有預充電、軟啟動功能。

典型應用電路

1、全橋整流

選擇50%占空比，次級通過全橋整流就能實現單電源輸出，當變壓器匝數比2.5:1時，輸出電壓為+5V，優(yōu)點是輸出紋波小，缺點是需要四個二極管，每半周都需要流過兩個二極管，兩倍的整流二極管損耗，尤其當輸出電壓低的時候靜態(tài)損耗占比大。

2、倍壓整流

倍壓整流比較容易設計，只要選擇50%占空比，變壓器匝數比1.8:1，次級通過倍壓整流就能實現正負輸出比固定為2:1，即15V和負-7.5V，這電壓對于中功率IGBT模塊驅動非常友好。

單繞組輸出的倍壓整流會在變壓器上引入不對稱負載電流，這些不對稱電流在輸入端的電阻性元件上產生不對稱壓降，其結果是變壓器正負電壓的電壓和時間乘積不相等，這將導致變壓器磁芯的B-H曲線上的工作點發(fā)生偏移，變壓器會部分飽和。

解決方法是在次級倍壓整流的輸入端串聯電容器。更多的驅動電路實際上需要2-4-6路，雙數繞組輸出的變壓器，只要將一對倍壓整流的變壓器同名端相反連接，由于一般情況下各個路負載相等，這樣就可以平衡變壓器，可能不需要串聯電容器。

倍壓整流原理和設計請參考評估板EVAL-2EP130R-VD帶雙輸出倍壓整流的2EP130R變壓器驅動器評估板的應用手冊，需要購買評估板和索取PCB參考文件等請?zhí)顚懕韱巍?/p>

3、峰值整流

峰值整流可以通過調節(jié)占空比，實現寬范圍的正負隔離輸出電壓。

2EP占空比10%-50%可調，使得正負輸出比范圍為1:1到9:1，而變壓器初次級繞組匝數比決定輸出正負電壓值，可以方便匹配IGBT、SiC MOSFET驅動電路設計需要。

由于占空比可能不是50%，電壓波形的不對稱占空比就會產生直流分量，造成變壓器直流偏置從而飽和，所以我們需要在初級繞組串聯一個隔直電容。

例子中，占空比DC取33%，變壓器匝比TTR=1.25，所以輸出電壓是+15V/-7.5V，與倍壓整流一致。峰值整流把隔直電容從初級移到次級，避免變壓器飽和問題，器件也少，更推薦。

改變參數，DC=22%，TTR=1.5，輸出電壓是+15V/-4V，適合SiC MOSFET。

改變參數，DC=14%，TTR=1.4，輸出電壓是+15V/-2.5V，適合SiC MOSFET。

總結

1、對于IGBT驅動一般可以采用+15/-15V和+15V/-7.5V或+15V單電源驅動，DCDC電路可以采用全橋整流、全波整流和倍壓整流，這些電路設計簡單，容易實現。

2、對于SiC MOSFET，不推薦用太低的負壓，對于IGBT來說，合理選擇負壓也可以減小驅動功率，尤其是新一代微溝槽IGBT的柵極電荷QG比較大，需要驅動功率也大，減小負壓有積極意義。

3、實現任意負壓建議采用峰值整流，2EP占空比10%-50%可調，使得正負輸出比范圍為1:1到9:1，而變壓器初次級繞組匝數比決定輸出正負電壓值，可以方便匹配IGBT、SiC MOSFET驅動電路設計需要。

4、峰值整流原理和設計比較復雜，請參考評估板EVAL-2EP130R-PR和EVAL-2EP130R-PR-SIC的應用手冊。需要購買評估板和索取PCB設計文件等請?zhí)顚懕韱巍?/p>

a) EVAL-2EP130R-PR：2EP130R變壓器驅動器評估板，具有雙輸出峰值整流和可定制的輸出電壓，適用于MOSFETS和IGBT。

b)?EVAL-2EP130R-PR-SIC：用于SiC MOSFET的雙輸出峰值整流2EP130R變壓器驅動器評估板。