驅動電路設計（七）——自舉電源在5kW交錯調制圖騰柱PFC應用

隨著功率半導體IGBT，SiC MOSFET技術的發展和系統設計的優化，電平位移驅動電路應用場景越來越廣，電壓從600V拓展到了1200V。英飛凌1200V電平位移型頸驅動芯片電流可達+/-2.3A，可驅動中功率IGBT，包括Easy系列模塊。目標10kW+應用，如商用HVAC、熱泵、伺服驅動器、工業變頻器、泵和風機。本文就來介紹一個設計案例，采用電平位移驅動器碳化硅SiC MOSFET 5kW交錯調制圖騰柱PFC評估板。

從設計上看，這是一個很好的工業應用案例，涉及自舉電路用在中功率驅動和工頻50Hz的驅動中的應用。

評估板的型號為EVAL-1EDSIC-PFC-5KW，是采用交錯圖騰柱實現PFC的完整方案，三個半橋橋臂結構，見下圖，兩個高頻橋臂的功率開關采用650V 22mΩ的碳化硅MOSFET IMBG65R022M1H，一個低頻橋臂采用10 mΩ600V的CoolMOS? S7 IPQC60R010S7。

CoolMOS? S7是高壓SJ MOSFET，其針對RDS(on)優化，用于低頻開關。非常適合固態斷路器和繼電器、PLC、電池保護以及大功率電源中的有源橋式整流。

Si和SIC MOSFET驅動都采用基于SOI技術電平位移驅動芯片。

其中SiC MOSFET的驅動采用電平位移驅動芯片1ED21271S65F，它是4A 650V的大電流高壓側柵極驅動器，帶過電流保護(OCP)、多功能RCIN/故障/使能(RFE)和集成自舉二極管(BSD)，DSO-8封裝。

CoolMOS? S7的驅動采用基于SOI技術電平位移驅動芯片2ED2182S06F，它是2.5A 650V高速大電流半橋柵極驅動器IC，集成自舉二極管，DSO-8封裝。

5kW交錯調制圖騰柱PFC的設計，在230VAC半負載條件下，實現效率為98.7%，尺寸為218mm x 170mm x 60mm，即功率密度達到36W/in3。

所用器件：

■ EiceDRIVER? 1ED21271S65F驅動CoolSiC? MOSFET

■ CoolSiC? MOSFET IMBG65R022M1H

■ EiceDRIVER? 2ED2182S06F驅動CoolMOS?

■ CoolMOS? S7 SJ MOSFET 600V IPQC60R010S7

■ 控制器MCU: XMC? 4200 Arm? Cortex?-M4

■ 輔助電源：ICE2QR2280G

SIC MOSFET驅動

1ED21271S65F是2025年3月推出的最新產品，電壓為650V、輸出能力+/-4A的高邊柵極驅動器，與其他產品相比，提供了一種更穩健、更具性價比的解決方案。

設計采用英飛凌的絕緣體上硅（SOI）技術，1ED21x7x系列具有出色的可靠性和抗噪能力，能夠在負瞬態電壓高達-100V時芯片不壞。

可用于高壓側或低壓側高壓、大電流、高速功率管驅動，即驅動Si/SiC功率MOSFET和IGBT，擊穿電壓高達650V，輸出電流為+/-4A，傳播延遲小于 100ns。

1ED21x7x系列非常適合驅動多個開關并聯應用，例如輕型電動汽車中，基于1ED21x7x大電流柵極驅動器的設計，可在一個三相系統中節省多個 NPN/PNP管和外部自舉二極管。

在圖騰柱PFC設計中，電感器過流保護是個設計難點，1ED21x7x提供簡單、易于設計的電感器過流保護。

1ED21x7x的CS管腳功能強大，可以實現過流保護和短路I和短路II的保護。

短路I：指發生在功率開關開通之前，已經處于短路狀態。

短路II：短路發生在功率開關導通狀態，這是更難保護的。

過流保護：1ED21x7x系列有兩個CS保護閾值可以選，0.25V和1.8V。0.25V設置通常與分流電阻一起使用，以實現過流檢測，低壓選項，可以盡量減少分流電阻上的壓降造成的損耗。對于褪飽和檢測，要選用1.8V，因為它具有更好的抗噪能力。

由于1ED21x7x系列集成了自舉二極管，外圍電路就顯得更簡單，下圖的實際電路外接了一個600V高速二極管Db和一個5.1Ω電阻，自舉電容為1uf。這是為什么呢？

在《驅動電路設計（五）——驅動器的自舉電源穩態設計 http://www.czjhyjcfj.com/article/202503/468089.htm  》中強調了自舉電路會有電壓損失，造成上管驅動電壓低于下管電壓，而SiC的RDS(ON)會隨著驅動電壓降低而明顯增大，這是要在設計中避免的。

自舉電壓的損失主要貢獻是自舉電路中的自舉電路中的阻抗，VRboot由下面公式決定，選擇更小的外接電阻能降低自舉電壓的損失，外接5.1歐姆相比驅動內置的等效電阻35歐姆來說小得多，零點幾伏的改善對SiC MOSFET的靜態損耗降低是非常有價值的。

注：IMBG65R022M1H的QG=67nC

1ED21x7x中的自舉電路參數

CoolMOS?驅動

EiceDRIVER? 2ED2182S06F驅動CoolMOS? S7 SJ MOSFET 600V IPQC60R010S7時，就直接采用集成自舉二極管，自舉電容為33uf+100nf。

2ED2182S06F的靜態電流

由于低頻橋臂工作在工頻50Hz，按照《驅動電路設計（四）---驅動器的自舉電源綜述  http://www.czjhyjcfj.com/article/202503/467756.htm  》中的設計公式，進行計算。由于頻率只有50Hz，驅動器的靜態電流被放大了。它的效應要比IPQC60R010S7的QG大一個量級，所以算出來的電容值就比較大，取33uf。

■ QG為功率開關的柵極電荷 318nC (IPQC60R010S7)

■ Iq為相關驅動器的靜態電流170uA（數據表中Quiescent VBS supply current）

■ Ileak為自舉電容的漏電流(只與電解電容有關，忽略)

■ fSW為功率管的開關頻率50Hz

■ UCC為驅動電源電壓

■ UF為自舉二極管的正向電壓

■ UCEsat為下橋臂功率管的電壓降

■ S為余量系數

通過以上內容，可以看到不能抄作業的自舉電路設計的兩個案例，結合之前系列文章中的知識點，讀者可以做驗證性的設計。

英飛凌新開發了一些功能強大的電平位移驅動電路，把應用場景拓展了，在合理的系統絕緣分配后，可以更積極采用電平位移驅動電路、自舉電路來優化系統設計，降低系統成本。

系列文章

驅動電路設計（一）——驅動器的功能綜述 http://www.czjhyjcfj.com/article/202502/466941.htm 

驅動電路設計（二）——驅動器的輸入側探究 http://www.czjhyjcfj.com/article/202502/467031.htm

驅動電路設計（三）---驅動器的隔離電源雜談 http://www.czjhyjcfj.com/article/202503/467754.htm

驅動電路設計（四）---驅動器的自舉電源綜述  http://www.czjhyjcfj.com/article/202503/467756.htm

驅動電路設計（五）——驅動器的自舉電源穩態設計 http://www.czjhyjcfj.com/article/202503/468089.htm

驅動電路設計（六）——驅動器的自舉電源動態過程 http://www.czjhyjcfj.com/article/202503/468657.htm