IGBT／MOSFET 的基本栅极驱动光耦合器设计

本应用笔记涵盖了计算栅极驱动光耦合器 IC 的栅极驱动器功率和热耗散的主题。栅极驱动光耦合器用于驱动、开启和关闭功率半导体开关、MOSFET/IGBT。栅极驱动功率计算可分为三部分；驱动器内部电路中消耗或损失的功率、发送至功率半导体开关的功率以及驱动器IC和功率半导体开关之间的外部组件处（例如外部栅极电阻器上）损失的功率。在以下示例中，我们将讨论使用 Avago ACPL-332J（2.5nApeak 智能栅极驱动器）的 IGBT 栅极驱动器设计。

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本应用笔记涵盖了计算栅极驱动光耦合器 IC 的栅极驱动器功率和热耗散的主题。栅极驱动光耦合器用于驱动、开启和关闭功率半导体开关、MOSFET/IGBT。栅极驱动功率计算可分为三部分；驱动器内部电路中消耗或损失的功率、发送至功率半导体开关(IGBT/MOSFET)的功率以及驱动器IC和功率半导体开关之间的外部组件处（例如外部栅极电阻器上）损失的功率。在以下示例中，我们将讨论使用 Avago ACPL-332J（2.5nApeak 智能栅极驱动器）的 IGBT 栅极驱动器设计。本设计指南也适用于 MOSFET 栅极驱动器。

IGBT/MOSFET 栅极电阻

选择 RG 值时，重要的是要从栅极驱动器 IC 和功率半导体开关 MOSFET/IGBT 的角度来考虑。对于栅极驱动器 IC，我们选择的 RG 在 IC 允许功耗额定值范围内，同时提供/吸收尽可能高的驱动器电流。从IGBT或MOSFET的角度来看，栅极电阻影响导通和关断期间的电压变化dVCE/dt和电流变化diC/dt。

因此，当设计人员选择 IGBT 或 MOSFET 时，选择合适的栅极驱动器光耦合器非常重要，因为该驱动器的电流和额定功率决定了 IGBT 或 MOSFET 导通或关断的速度。

IC 允许额定功率内的栅极驱动电源操作

栅极驱动光耦合器的功耗是 IGBT/MOSFET 的输出侧功率（红色圆圈）和由于输入 LED 功耗而产生的输入侧功率（蓝色圆圈）的组合。由于驱动集电极开路晶体管的电流很小，因此可以忽略用于故障反馈的第二个 LED 的功耗。

计算步骤为：

根据峰值栅极电流计算所需的 RG

计算总功耗

将步骤 #2 中计算出的输入和输出功耗与 IC 的建议功耗进行比较。（如果超过了推荐水平，则可能需要提高 RG 值以降低开关功率并重复步骤 #2。

在此示例中，ACPL-332J 的总输入和输出功耗是根据以下条件计算的：

IG = 离子， ~ 2.5 A

VCC2 = 18V

VEE = -5 V，（注：如果应用中不需要负电压电源，则 VEE = 0 V）

fSWITCH = 15 kHz

环境温度 = 70°C

步骤 I：根据 IOL 峰值规格计算 RG 值

为了找到峰值充电 IOL，假设栅极初充电至稳态值 VCC。对于 ACPL-332J，70°C 时 2.5 A 输出的电压降线性近似为 6.3 V（图 2：VOL 与 IOL）。因此应用以下关系：

步骤 II：计算栅极驱动器中的总功耗：

总功耗 (PT) 等于输入侧功耗 (PI) 和输出侧功耗 (PO) 之和：

[tex]P_{T} = P_{I} + P_{O}[/tex]

[tex]P_{I} = IF_{(ON)} ,max * V_{F},max[/tex]

在哪里，

[tex]IF_{(ON)}，值 = 12 mA[/tex]

[tex]V_{F}，值 = 1.95 V[/tex]

IF(ON) 可以在建议的工作条件下找到，VF 可以在 ACPL-332J 数据表的电气规格表 5 中找到。