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量产方案12:高可靠性、低成本的栅极驱动器解决方案

2024年1月31日

栏目导语:欢迎您来到中国出海半导体网站的《量产方案专区》,这里将为您展示中国本土厂商最新最热门的已量产方案,如果您对此感兴趣,欢迎您联系我们了解更多(china.exportsemi@ehaitech.com)。

 

  • 编辑:AnaHu
  • 中国出海半导体网

 

现代功率电子应用以功率半导体器件的开关技术为基础,而这些功率开关器件在运作时都需要有效的栅极驱动方案。栅极驱动器是连接功率器件与微控制器的关键组件,通过接收微控制器(MCU/DSP)发送的控制信号,提供功率开关器件所需的栅极驱动电压,实现功率器件的开启和关闭,从而满足各种功率电子应用的需求。

A公司最新推出的栅极驱动器方案(量产方案12),专注于家用电器、工业新能源等领域的应用,为客户提供高可靠性、低成本的栅极驱动解决方案。

图1:家用电器类应用

图 1家用电器类应用

产品的特性

量产方案12具备650V的开关节点耐压,以及300mA和1000mA的输出峰值拉电流和灌电流能力,专门设计用于驱动功率MOSFETs或IGBTs。在开关节点VS瞬态-60V(100ns)的情况下,它能确保系统正常运行,并且能够应对dv/dt变化高达100V/ns的需求。

此外,量产方案12内置多项完善的保护功能,包括:在输入浮空或输入脉冲宽度不足时,输出将保持低电平;具备内置的互锁和死区保护功能,有效防止高低侧驱动同时打开的情况发生;同时,高侧和低侧UVLO保护使系统更加可靠。

针对家用电器、工业新能源等应用场合,可靠性是客户器件选型的首要考虑因素。对栅极驱动器而言,可靠性可从以下几个方面来衡量。

亮点1开关节点负压能力

在半桥拓扑应用中,通常使用感性负载,同时因为功率器件自身寄生电感和功率回路寄生电感,在高侧功率管关断时,续流回路在开关节点会产生负压。该负压包含一个由寄生电感L3、L4 导致的较大动态尖峰负压和一个由线路寄生电阻以及下管体二极管D2 导通导致的较低静态负压,如图2所示。

 

图3:开关电流路径及VS电压

2开关电流路径及VS电压

 

当开关节点负压越大时,栅极驱动芯片内部器件承受更高电压应力,更容易击穿失效。同时开关节点VS负压越大,导致栅极驱动芯片高侧供电节点HB瞬态电压越低,当HB电压低于参考地COM时,内部寄生二极管导通可能引起逻辑错误或者芯片烧毁,影响栅极驱动器的可靠工作。因此,更高的开关节点负压承受能力可以提升恶劣工况下功率系统的可靠性。

 

根据实测数据,在同样测试条件下,综合对比测试市面上几款同类产品,量产方案12负压承受能力与国际一线品牌承受能力相当,处于国内先进水平。

表1:量产方案12与市面上几款同类产品的负压能力对比 

表1量产方案12与市面上几款同类产品负压能力对比

 

亮点2开关节点高dv/dt噪声抑制能力

高压半桥栅极驱动器高侧驱动电路多采用自举式电路结构,利用栅极驱动器内部的电平移位电路可将低压逻辑控制信号传递至高侧。由于高侧控制驱动电路参考于开关节点VS,在高速开关状态下,芯片内部的寄生电流会通过耦合路径传递至低压侧,当芯片内部存在失配时,会产生差模干扰信号,从而影响正确的输入输出逻辑。

 

量产方案12采用A公司特有的电平位移和共模噪音抑制技术,可有效抑制开关节点高速开关过程中产生的共模噪音干扰,防止误触发,从而保证系统正常可靠运行。

亮点3更低的传播延迟与延迟匹配

在半桥开关电路中,传播延迟与延迟匹配是栅极驱动器的关键参数,更低的传播延迟意味着更快的响应能力,如短路保护或精确限流就要求控制回路响应时间足够短。

此外,栅极驱动器的高侧与低侧之间的传播延迟可能也会有所不同,由于芯片内部电路和器件之间的差异(例如高侧驱动器的传播延迟比低侧驱动器更长),高低侧输出的高电平驱动信号可能会在某些开关周期(甚至包含死区时间)内重叠,如果发生这种情况,将会出现短路并导致功率开关器件或负载损坏。综合对比测试市面上几款同类产品,量产方案12具有更低的传播延迟与延迟匹配。

表2:量产方案12与竞品的传播延迟与延迟匹配对比

表2量产方案12与竞品的传播延迟与延迟匹配对比

亮点4较高的驱动电流能力

半桥开关电路在实际应用中存在串扰问题。例如,在低侧开关器件保持关断的同时,高侧开关器件打开时,开关节点VS电压会迅速升高至母线电压VBUS。在这个过程中,低侧开关器件的米勒电容两端电压迅速变化,产生位移电流Igd。该电流通过栅极关断电阻以及LO内部等效下拉电阻引起电压降,若此电压降大于低侧开关器件的开通阈值,就会导致低侧器件开通,进而可能导致半桥电路直通或损坏。量产方案12的驱动灌电流能力为1000mA,具有更强的位移电流吸收能力,有效解决这一问题。

在实际应用系统中,工程师通常需要在开关损耗和EMI表现之间进行权衡。在允许的开关损耗范围内,栅极驱动器的输出与开关器件栅极之间通常串联适当的驱动电阻,以限制开关器件的开通速度,从而优化EMI表现。在不同功率段,优化的驱动电流需求也会有所不同。更大的驱动电流表示能够适配更宽范围的功率应用。相较于市面上的几款同类产品,量产方案12产品具备较高的峰值驱动电流能力,为工程师提供更灵活、高效的解决方案。

图7:半桥电路串扰问题

3半桥电路串扰问题

表3:量产方案12峰值驱动电流对比

表3:量产方案12峰值驱动电流对比

亮点5其他可靠性表现

量产方案12不仅集成了高低侧欠压锁定(UVLO)功能,确保半桥栅极驱动器能够为外围功率器件提供足够的栅极电压,从而完全打开功率器件。此外,量产方案12还内置了互锁和死区保护功能,可在输出状态变化时自动插入死区,确保在栅极驱动器的高低侧一侧打开之前,另一侧完全关闭,有效防止高低侧共通的情况发生。

除此之外,量产方案12还具备输入脉冲滤波功能。在实际应用系统中,功率器件的开关操作可能导致较大的dv/dt和di/dt,产生开关噪声会耦合到与栅极驱动器相连的控制信号线上。这种情况下,栅极驱动器的输入端可能受到电压尖峰干扰,导致错误的驱动信号,从而使开关器件误开通或误关断,进而影响系统的正常运行。量产方案12内部集成的输入脉冲滤波器能够有效滤除这些尖峰噪声信号,确保系统可靠运行。

综合对比测试市面上几款同类产品,量产方案12具有高可靠性、高性价比以及优异的性能指标。可满足大多数风筒、吊扇、烟机、逆变电源、不间断电源等应用需求。

如果您对该方案感兴趣或者有疑问,请您联系我们,并说明您的诉求:china.exportsemi@ehaitech.com

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