高压栅极驱动器的功率耗散和散热分析，一文get√

高频率开关的MOSFET和IGBT栅极驱动器，可能会产生大量的耗散功率。因此，需要确认驱动器功率耗散和由此产生的结温，确保器件在可接受的温度范围内工作。高压栅极驱动集成电路（HVIC）是专为半桥开关应用设计的高边和低边栅极驱动集成电路，驱动高压、高速MOSFET 而设计。《高压栅极驱动器的功率耗散和散热分析》白皮书从静态功率损耗分析、动态功率损耗分析、栅极驱动损耗分析等方面进行了全面介绍。

图 1 显示了 HVIC 的典型内部框图。主要功能模块包括输入级、欠压锁定保护、电平转换器和输出驱动级。栅极驱动器损耗包括：

·  当驱动器处于偏置状态且未进行开关时，高边和低边电路中静态电流相关的静态损耗。
·  当施加开关信号时与动态电流相关的动态损耗，与开关频率有关。
·  与负载开关电荷相关的栅极驱动损耗，直接依赖于开关频率。

图 1. HVIC 框图

本文将不讨论自举二极管的损耗，因为二极管的电流包括在动态损耗中。然而，不容忽视的是启动过程中为自举电容充电的瞬时功率损耗。在此期间，会有大量电流流过二极管，对自举电容快速充电，并在几个开关周期内产生相对较高的损耗。自举二极管必须能承受这些电流和功率损耗，当二极管启动时，这部分损耗将增加驱动器的内部功率损耗。

静态功率损耗分析

图 2 显示了与高低边驱动器相关的半桥开关网络简化示意图，以解释静态损耗。

图 2. 针对静态功率损耗的驱动器和半桥配置的简化电路图

静态损耗，是由低边驱动器中直流电压源 VDD到地的静态电流，以及高边驱动器中电平转换器的漏电流引起的，如下式所示。

其中，IQDD为无输入开关信号时 VDD的静态电流，VBOOT为 CBOOT 上的电压，VDBOOT为自举二极管上的正向压降，VR为输入电源的轨电压，ILK为自举引脚（图 2 中 VB引脚）上的漏电流。静态功率损耗在驱动器接通电源后即一直存在，与输入信号的频率无关。

然而，大部分功率损耗在驱动器打开或关闭电源时产生。因此，IQDD包含在开关模式的工作电流中，所以在这种情况下不应考虑 PQuiescent。当 ILK 小到不足以忽略或 VBOOT电平非常高（如 1200 V ）时，应考虑 PLeakage。如果驱动器数据手册中没有提供 ILK，则可以忽略这一损耗，它与其他损耗相比通常很小。

动态功率损耗分析

现在我们来考虑一下主要的损耗源。图 3 显示了解决动态损耗问题的驱动器电路图。第一种动态损耗是指高边驱动电平转换（LS）中的损耗，即 PLS。

图 3. 驱动器和半桥配置的动态和功率损耗简化电路图

Qinternal是电平转换电路中使用的内部 LDMOS的总栅极电荷。制造商通常不提供Qinternal规范，因此数据手册中找不到。根据经验，在这种情况下， 600 V 高边驱动器的Qinternal值约为 0.6~1.5 nC，100 - 200 V 驱动器的Qinternal值约为 0.4~1 nC。一些使用旧技术的驱动器产品可能具有相对较高的 Qinternal值，因此在高频操作时应考虑 PLS，但在最新技术的驱动器中，该值越来越低，如果没有提供 Qinternal的值，则可以忽略该损耗。

第二项动态损耗，与 VDD和 VBOOT电源供电的输出级工作电流有关。当输出级驱动外部功率器件时，动态损耗（POP）由下面公式给出。


IDD是 VDD上的工作电流，IBS是高边驱动器引脚 VB 上的工作电流。这种功率损耗来自动态工作条件下的内部电流消耗。内部电流 IDD和 IBS，应在实际工作条件下参照数据手册参数，并考虑开关频率后确定。

如果数据手册没有提供 IDD和 IBS随开关频率变化的曲线，建议采用以下方法计算给定工作条件下的 IDD和 IBS。

如果在无负载时，IDD（或 IBS）工作在 20kHz（FSW_DS），那么在 100kHz（FSW）时的 IDD（或 IBS）大约是 20kHz 时的 5 倍，因为它与开关频率成正比。

为了更准确地计算，在乘以5之前，从IDD或IBS中减去静态电流。

例如，数据手册中20kHz时的工作电流（IPDD）为0.5mA，静态电流（IQDD）为0.05mA，100kHz时的IDD按以下公式计算。


FSW为目标频率，FSW_DS为数据手册中的指定频率。

如果数据手册中指定了IDD（或IBS）的负载条件，例如1 nF电容，则可以通过下式消除1 nF电容的电流影响。

需要注意的是，这个公式只是一个大致的估计，实际情况可能会因为电路的具体参数和工作条件而有所不同。在实际应用中，最好进行实际测量或使用仿真工具，来确定准确的电流值。


CLOAD是数据手册中规定的负载电容

图 4. 栅极驱动功率损耗的驱动器和半桥配置简化电路图

栅极驱动损耗分析

驱动器中的栅极驱动损耗是在开关频率下提供栅极电流以开关负载 MOSFET 所产生的最大功率损耗。栅极驱动损耗来自负载电容的充电和放电（对于 MOSFET，负载电容是 MOSFET 的输入电容），用下式表示。


其中，Qg 是外部 MOSFET 的栅极总电荷，fsw 表示开关频率。在软开关拓扑中，Qg 等于 FET 或 IGBT 的栅源电荷 (Qgs)。因此，高、低边驱动器的总栅极驱动损耗是 Pcharging 的 4 倍。


由于主要的功率损耗是栅极驱动损耗，因此计算驱动器损耗的最简单快捷的方法是将栅极驱动损耗（Pgate_drving）和 VDD上的动态损耗相加。这些损耗在中等电压级别的高低边驱动器产品中占 90% 以上。

热分析
一旦计算出驱动器内部消耗的功率，我们就可以估算驱动器的结温。这可以根据热阻或类似热设计（散热和气流）的特性进行评估。热方程如下：


其中

TJ= 驱动器芯片的结温
Rjx= 温度上升与总功率耗散相关的热阻 (θ) 或特性参数 (Ψ)
Tx= 数据手册热特性表中定义的 x 点温度。

热信息如图5和表1所示。封装的热特性是几何形状、边界条件、测试条件等多个参数的函数。这就需要数值分析工具或建模技术，而这些工具或技术通常操作繁琐。根据数据手册中的热信息来精确估算结温是非常困难的。

因此，回顾一下热信息的定义很有必要。

θja是结对空气热阻。测量芯片结和空气之间的热流。主要适用于没有任何外部散热器的封装。

θjc是结到外壳热阻，测量芯片结和封装表面之间的热流。主要适用于使用某些外部散热器的封装。

Ψjt是结点到封装顶部热特性参数，提供了芯片温度和封装顶部温度之间的相关性。可用于在应用中估计芯片温度

Ψjb是结点到电路板热特性参数，提供了芯片温度和电路板温度之间的相关性。可用于估算应用中的芯片温度。

图 5. 封装的热阻和特性参数。

表 1. 热阻和特性参数的定义。

一般来说，半导体数据手册中提供的热信息并不能涵盖所有应用场景。在以下示例中，我们仅使用 θja 计算 Tj。

降低 Tj 的建议

如果 Tj 太接近建议的工作温度，可以考虑以下几种情况。

2. 降低开关频率。开关频率对功率损耗的影响最大，因此只要应用允许，就可以降低开关频率。

3. 使用散热器。扩大 PCB 面积，在驱动器周围增加覆铜。

4. 尽可能降低电源电压 VDD。最新一代的驱动器和 MOSFET 均提供此选项。

降低开关频率或电源电压并不总是可行的，而且扩大印刷电路板或增加散热手段往往受到限制。大多数情况下，人们会出于各种原因使用外部栅极电阻，例如限制寄生或高 dV/dt 引起的振铃，调整栅极驱动强度以减少 EMI。这也会对功率损耗分布产生影响。添加外部栅极电阻后，栅极驱动功率损耗的计算如下：


其中，RON和 ROFF是内部上拉和下拉电阻，Rgon和Rgoff是外部栅极电阻。简单来说，如果RON=ROFF=Rg，与没有外部栅极电阻相比，Psw将是总功率耗散的一半。

图 6. 内部上拉和下拉电阻。

以 NCV51511 为例，根据 Vdd/峰值上拉（或下拉）电流计算，RON为 2 Ω，ROFF为 1 Ω。如果在输出引脚和 MOSFET 栅极之间插入 1 Ω，则栅极驱动损耗将降至 83%。

该白皮书还介绍了电平转换电路中的功率损耗、进行 NCV51511 的功率损耗计算和热估算、在 FAN73912 上的应用等，欢迎扫码下载完整版白皮书。