基于IGBT / MOSFET 的栅极驱动光耦合器设计方案

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、导通和关断、功率半导体开关、MOSFET/IGBT。栅极驱动功率计算可分为三部分；驱动器内部电路中的功率消耗或损耗、发送到功率半导体开关 (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（例如外部栅极电阻器两端）的功率损耗。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 栅极电阻器

在选择 RG 值时，重要的是从栅极驱动器 IC 和功率半导体开关、MOSFET/IGBT 的角度来看。对于栅极驱动器 IC，我们选择在 IC 最大允许功率耗散额定值范围内的 RG，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，栅极电阻会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，还必须选择合适的栅极驱动器光耦合器，因为该驱动器的电流和额定功率决定了 IGBT 或 MOSFET 的开启或关闭速度。

IC 最大允许额定功率范围内的栅极驱动电源操作

栅极驱动光耦合器的功率耗散是 IGBT/MOSFET 的输出侧功率（红色圆圈）和输入侧 LED 功率耗散（蓝色圆圈）的组合。用于故障反馈的第二个 LED 的功耗被忽略，因为驱动集电极开路晶体管的电流很小。

计算步骤为：

根据最大峰值栅极电流计算所需的最小 RG

计算总功耗

将第 2 步中计算的输入和输出功耗与 IC 的最大推荐功耗进行比较。（如果已超过最大推荐水平，则可能需要提高 RG 的值以降低开关功率并重复步骤 #2。

在本例中，ACPL-332J 的总输入和输出功耗是在以下条件下计算的：

IG = 离子，最大 ~ 2.5 A

VCC2 = 18V

VEE = -5 V，（注意：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 最小值

为了找到峰值充电 lOL，假设栅极最初充电到稳态值 VCC。对于 ACPL-332J，70°C 下 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：

第二步：计算栅极驱动器

的总功耗：总功耗 (PT) 等于输入侧功率 (PI) 和输出侧功率 (PO) 功耗之和：

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

在哪里，

[tex]IF_{(ON)},max = 12 mA[/tex]
[tex]V_{F},max = 1.95 V[/tex]

IF(ON) 可以在推荐的工作条件下找到，VF 可以在 ACPL-332J 数据表的电气规范表 5 中找到。

编辑：hfy