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分析高压栅驱动电路中高速工况研究与设计陆峣

发表时间：2020/9/4 来源：《基层建设》2020年第11期作者：陆峣张旭峰蔡成栋

[导读] 摘要：针对在很多领域得到广泛应用的高压栅驱动电路，在简述其特性的基础上，对高速工况下的电路设计进行深入分析，旨在为解决误触动方面的问题提供有效措施。

        国网上海市电力公司检修公司上海 201206
        摘要：针对在很多领域得到广泛应用的高压栅驱动电路，在简述其特性的基础上，对高速工况下的电路设计进行深入分析，旨在为解决误触动方面的问题提供有效措施。
        关键词：高压栅驱动电路；高速工况；电路设计
        高压栅驱动电路以其良好的特性而广泛应用在智能功率模块等领域，为有效提高系统性能，并减小导通损耗，模块实际工作频率将明显提升，较高的dv/dt实际变化速度会使模块自身可靠性受到很大影响，需要专门针对高速工况进行相应的研究和设计。
        1高压栅驱动电路
        栅驱动电路有很多应用领域。比如，采用IGBT作为一个高端开关，并借助自举电路，使电压源能够实现浮动。这一电路处于某种实际工作条件时，其外部母线电压可以达到至少600V；对于HVIC，是以栅驱动电路为基础的高压集成电路，其最大的问题在于噪声威胁；相关研究明确了可增加延时时间的相关因素，同时提出了能有效抵抗过冲噪声干扰的新HVIC结构；另外，相关研究还对栅驱动电路自身功耗及高温等方面的问题进行了阐述。但在某些实际工作条件当中，如果外部功率管直接对芯片的输出信号进行接受，同时快速开关，则浮动地将很快上升到母线电压。由于高端模块对应的等效电源与浮动地采用自举电容进行连接，则高端模块对应的等效电源将伴随浮动地发生的波动而改变，进而产生噪声。另外，因IGBT存在寄生参数，所以该噪声可能会使器件产生误开启，甚至产生雪崩击穿。现阶段对于IGBT进行的直通模型分析和研究都忽视了寄生电感参数可能造成的影响，而且对于过流时间和雪崩击穿进行的研究，否没有得到明确结论，虽然国际论文提出了解决方案，但其所采用的方法在整个电路结构上实现起来十分困难[1]。
        在高压栅驱动电路当中，高压电平位移电路为核心所在，它具有的功能无论是对智能模块，还是对电压转换频率进行的限制，都有十分重要的作用。该电路能将公共地对应的PWM信号转换成栅级控制信号，进而在浮动地达到600V后依然可以正常工作。对整个集成电路而言，不同模组往往工作于不同电压标准，在这种情况下需要采用双重供电。而在双重供电系统当中，该电路能使低电压变成高电压，满足模组工作要求。为保证整条电路实际工作性能，电路还应实现低功耗。通过对动态电压调整的合理应用，能提供很多电源电压，比如利用低电源电压为非关键路径上的模块实施供电，使用高电源电压为模拟与高速模块实施供电。该技术的应用能有效减少动态和静态的功耗。在栅驱动电路的高端部分当中，主要包含以下几个部分：其一，脉冲产生电路；其二，滤波电路；其三，脉冲恢复电路；其四，驱动电路。在这一电路当中，由于LDMOS有很高的耐压性，所以浮动地可以在0-600V的电压范围内波动。若输入信号需要很长的时间才能转换，则会使LDMOS始终处在开启的状态，导致功耗大幅增加。针对这一问题，可引入窄脉冲技术来减少这些不必要功耗[2]。
        就目前来看，人们对低功耗提出的要求越来越高，加之信号频率不断升高，使噪声越来越大。对功率集成电路而言，对点评位移电路进行设计是一个很大挑战。

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对此，国际会议提出了以下三套解决方案：其一，对噪声变化率进行限制，这样会增加功耗；其二，设置专门的检测电路，如果检测电路检测出误触，则栅级将强制接地，该方法的问题在于检测控制电路较为复杂，很难设计；其三，利用外部电源可产生的负压来增加噪声容限。在某些比较特殊的实际条件下，如果输入信号的频率相对较高，则当高端输出始终为高电位时，电路将出现高风险状态。
        2基于高速工况的高压栅驱动电路设计
        通过仿真验证可知，如果电路处于高速工况，则低端输出无任何响应，而高端输出却始终处在较高的状态。该问题产生原因主要为功率器件未完全开启时就已经关断[3]。
        为确定问题的主要产生原因，需对开关电路各个节点实施分析和仿真。在脉冲宽度相对较窄的情况下，信号从高电平变成低电平，之后在以较快的速度恢复到高电平的过程中，因充电时间相对较长，使节点电压实际上升速度很慢。在节点达到高电平以前，结构因MN1开启而进行放电，反相器由于无法对高电平信号进行识别，所以会使PMOS处于常开状态，而NMOS则处于常关的状态，产生输出常高等风险。对此，以现有的分析为基础，为有效解决这方面实际问题，需要对R/C结构进行修改，具体是将电阻R更改成与MN1相连的漏极。通过这样的改动，会使MN1具有的下拉能力被明显削弱，并可以使节点上电达到实现逻辑识别的目标[4]。
        在工作速度相对较慢的情况下，所生成的窄脉冲，且脉宽相同，在完成改进后，两个虽然存在差别，但并不会产生问题。由于窄脉冲通过触发器采样信号上升沿恢复，所以当脉宽只有10ns时，R/C可以正常响应。在完成改进后，对芯片实施测试，将窄脉冲脉宽降低至25ns以后，LO输出为低电位，HO能正常响应，有效消除风险。
        3结语
        综上所述，提出了一种能在高速工况下对栅驱动电路进行保护的新技术，同时通过分析与仿真，使窄脉冲脉宽由100ns减小到10ns，以此极大的提高电路自身低功耗特性。通过对这项技术的合理应用，电平位移模块可以有效防止由窄脉宽导致的各类错误响应，进而确保整个电路都处在正常的运行状态。
        参考文献：
        [1]雷霖，唐成达，赖真良，赵永鑫，张鹏.高压共轨喷油器驱动电路的优化设计[J].车用发动机，2018，10（06）：66-70.
        [2]孙浩，张卫平，邹阳，王晨阳，陈畅，吴彬彬.一种高压可变波形的压电驱动电路设计[J].压电与声光，2018，40（04）：534-538.
        [3]罗欣玮，王志斌，李克武，梁赛，张敏娟.基于FPGA的光弹调制器用高压驱动电路设计[J].激光与红外，2017，47（10）：1305-1309.
        [4]谢宏斌，曾伟，徐剑飞，唐立群.一种新型高压共轨喷油器驱动电路的设计[J].测控技术，2016，35（12）：147-151.