驱动集成电路功率级中瞬态问题的处理

1．驱动IC产品范围
IR公司为用户提供多种从单相到三相桥的驱动集成电路。所有类型都使用了高集成的电平转换技术，简化了逻辑电路对功率MOS管的控制。最新产品已扩展到具有驱动1200V功率器件的能力。
作为前沿技术，要求能在更高速度下开关更大的电流，杂散参数的不利影响日趋明显和受到高度重视。本文的目的是找出它们的根源，量化驱动IC对可能引起问题的免疫力，最后，如何获得最大的安全区。
2．桥式电路中的杂散元素
图1描述了一个驱动IC驱动由两个MOSFET组成的典型桥式电路，功率电路中，由器件内部的连线、引脚和PCB线组成的无用电感统一用LS1.2和LD1.2表示。
另外还有栅极驱动电路中的杂散参数，在布线路板时也应考虑。在此我们将主要讨论有最大的电流和di/dt发生的桥式电路本身。在开关期间，桥式电路中快速变化的电流将会在杂散电感中产生电压瞬变。这些瞬变会耦合到其它电路中引起噪声问题，增加开关损耗，甚至在最坏情况下损坏IC。

图1. 半桥电路中的杂散元素

3．VS负过冲原因
由于问题是由散电感引起的，随着器件的开关，对驱动IC来说，最主要的问题是VS会负过冲到参考地以下。
相反，正过冲一般不会出现问题，IR公司已经验证的HVIC工艺具有耐高电压能力。
当桥电路负载为感性时，高端器件的关断会引起负载电流突然转换到低端的续流二极管，由于二极管开通延迟，正向压降和杂散电感LS1+LD1使VS点负过冲到参考地以下，如图1所示。在死区时间内，如果负载电路不能完全恢复，当低端器件硬开通时，会发生VS负过冲或振荡。
4．VS负过冲对驱动IC的影响
IR公司的驱动IC保证，相对于COM，VS至少有5V的负过冲能力，如果负过冲超过这个水平，高端输出将暂时锁定在其电流状态，VS保持在绝对最大极限内，IC将不会损坏。当负过冲起过5V后，高端输出将不响应输入控制信号。这种模式应当注意，但在大多应用中是可以忽略的，因为随着开关事件的发生，高端通常不要求很快改变状态。
5．如何避免锁定
附录1显示了驱动IC的内部典型寄生二极管结构。对于任何CMOS器件，使这些二极管正向导通或反向击穿都会引起寄生的可控晶闸管(SCR)锁定，锁定的最终后果难以预料，有可能暂时错误地工作到完全损坏器件。
驱动IC 也许会间接地被最初的过应力引起的连锁反应损坏，例如，可想到锁定会使两路输出为高，造成桥臂直通，从而损坏器件，然后损坏IC。这种失败模式可能是应用中引起驱动IC和功率器件损坏的主要原因。
下面理论分析可以帮助解释VS负过冲和锁定机理的关系。
第一种情况：“理想的自举”电路中，VCC由一个零阻抗电源供电，并由一个理想的二极管给VB供电。如图2，负过冲将引起自举电容过充电。例如，如果VCC=15V，VS负过冲超过10V时，将使悬浮电源达到25V以上，可能会击穿二极管D1，并进一步引起锁定。