随着功率半导体IGBT，SiC MOSFET技术的发展和系统设计的优化，电平位移驱动电路应用场景越来越广，电压从600V拓展到了1200V。英飞凌1200V电平位移型颈驱动芯片电流可达+/-2.3A，可驱动中功率IGBT，包括Easy系列模块。目标10kW+应用，如商用HVAC、热泵、伺服驱动器、工业变频器、泵和风机。本文就来介绍一个设计案例，采用电平位移驱动器碳化硅SiC MOSFET 5kW交错调制图腾柱PFC评估板。 从设计上看，这是一个很好的工业应用案例，涉及自举电路用在中功率驱动和工频50Hz的驱动中的应用。  评估板的型号为EVAL-1EDSIC-PFC-5KW，是采用交错图腾柱实现PFC的完整方案，三个半桥桥臂结构，见下图，两个高频桥臂的功率开关采用650V 22mΩ的碳化硅MOSFET IMBG65R022M1H，一个低频桥臂采用10 mΩ600V的CoolMOS S7 IPQC60R010S7。 CoolMOS S7是高压SJ MOSFET，其针对RDS(on)优化，用于低频开关。非常适合固态断路器和继电器、PLC、电池保护以及大功率电源中的有源桥式整流。
Si和SIC MOSFET驱动都采用基于SOI技术电平位移驱动芯片。 其中SiC MOSFET的驱动采用电平位移驱动芯片1ED21271S65F，它是4A 650V的大电流高压侧栅极驱动器，带过电流保护(OCP)、多功能RCIN/故障/使能(RFE)和集成自举二极管(BSD)，DSO-8封装。 CoolMOS S7的驱动采用基于SOI技术电平位移驱动芯片2ED2182S06F，它是2.5A 650V高速大电流半桥栅极驱动器IC，集成自举二极管，DSO-8封装。 5kW交错调制图腾柱PFC的设计，在230VAC半负载条件下，实现效率为98.7%，尺寸为218mm x 170mm x 60mm，即功率密度达到36W/in3。 所用器件： ■ EiceDRIVER 1ED21271S65F驱动CoolSiC MOSFET ■ CoolSiC MOSFET IMBG65R022M1H ■ EiceDRIVER 2ED2182S06F驱动CoolMOS ■ CoolMOS S7 SJ MOSFET 600V IPQC60R010S7 ■ 控制器MCU: XMC 4200 Arm Cortex-M4 ■ 辅助电源：ICE2QR2280G SIC MOSFET驱动 1ED21271S65F是2025年3月推出的最新产品，电压为650V、输出能力+/-4A的高边栅极驱动器，与其他产品相比，提供了一种更稳健、更具性价比的解决方案。 设计采用英飞凌的绝缘体上硅（SOI）技术，1ED21x7x系列具有出色的可靠性和抗噪能力，能够在负瞬态电压高达-100V时芯片不坏。 可用于高压侧或低压侧高压、大电流、高速功率管驱动，即驱动Si/SiC功率MOSFET和IGBT，击穿电压高达650V，输出电流为+/-4A，传播延迟小于 100ns。 1ED21x7x系列非常适合驱动多个开关并联应用，例如轻型电动汽车中，基于1ED21x7x大电流栅极驱动器的设计，可在一个三相系统中节省多个 NPN/PNP管和外部自举二极管。 在图腾柱PFC设计中，电感器过流保护是个设计难点，1ED21x7x提供简单、易于设计的电感器过流保护。 1ED21x7x的CS管脚功能强大，可以实现过流保护和短路I和短路II的保护。 短路I：指发生在功率开关开通之前，已经处于短路状态。 短路II：短路发生在功率开关导通状态，这是更难保护的。 过流保护：1ED21x7x系列有两个CS保护阈值可以选，0.25V和1.8V。0.25V设置通常与分流电阻一起使用，以实现过流检测，低压选项，可以尽量减少分流电阻上的压降造成的损耗。对于褪饱和检测，要选用1.8V，因为它具有更好的抗噪能力。  由于1ED21x7x系列集成了自举二极管，外围电路就显得更简单，下图的实际电路外接了一个600V高速二极管Db和一个5.1Ω电阻，自举电容为1uf。这是为什么呢？
在《驱动电路设计（五）——驱动器的自举电源稳态设计》中强调了自举电路会有电压损失，造成上管驱动电压低于下管电压，而SiC的RDS(ON)会随着驱动电压降低而明显增大，这是要在设计中避免的。 自举电压的损失主要贡献是自举电路中的自举电路中的阻抗，VRboot由下面公式决定，选择更小的外接电阻能降低自举电压的损失，外接5.1欧姆相比驱动内置的等效电阻35欧姆来说小得多，零点几伏的改善对SiC MOSFET的静态损耗降低是非常有价值的。  注：IMBG65R022M1H的QG=67nC
1ED21x7x中的自举电路参数 CoolMOS驱动 EiceDRIVER 2ED2182S06F驱动CoolMOS S7 SJ MOSFET 600V IPQC60R010S7时，就直接采用集成自举二极管，自举电容为33uf+100nf。  2ED2182S06F的静态电流
由于低频桥臂工作在工频50Hz，按照《驱动电路设计（四）---驱动器的自举电源综述》中的设计公式，进行计算。由于频率只有50Hz，驱动器的静态电流被放大了。它的效应要比IPQC60R010S7的QG大一个量级，所以算出来的电容值就比较大，取33uf。  ■ QG为功率开关的栅极电荷 318nC (IPQC60R010S7) ■ Iq为相关驱动器的静态电流170uA（数据表中Quiescent VBS supply current） ■ Ileak为自举电容的漏电流(只与电解电容有关，忽略) ■ fSW为功率管的开关频率50Hz ■ UCC为驱动电源电压 ■ UF为自举二极管的正向电压 ■ UCEsat为下桥臂功率管的电压降 ■S为余量系数 通过以上内容，可以看到不能抄作业的自举电路设计的两个案例，结合之前系列文章中的知识点，读者可以做验证性的设计。 英飞凌新开发了一些功能强大的电平位移驱动电路，把应用场景拓展了，在合理的系统绝缘分配后，可以更积极采用电平位移驱动电路、自举电路来优化系统设计，降低系统成本。 |
