技術(shù)分享 柵極驅(qū)動(dòng)器及其應(yīng)用介紹

目錄

一、柵極驅(qū)動(dòng)器介紹

1）為什么需要柵極驅(qū)動(dòng)器？

2）功率器件開關(guān)過程介紹

3）三種常見驅(qū)動(dòng)芯片介紹

二、隔離方案介紹

1）為什么需要隔離驅(qū)動(dòng)

2）主流隔離方案介紹

3）納芯微隔離方案介紹

一、柵極驅(qū)動(dòng)器介紹

1）為什么需要柵極驅(qū)動(dòng)器？

柵極驅(qū)動(dòng)器是低壓控制器和高壓電路之間的緩沖電路，用于放大控制器的控制信號，從而實(shí)現(xiàn)功率器件更有效的導(dǎo)通和關(guān)斷。

1.柵極驅(qū)動(dòng)器的作用總結(jié)如下：

1.將控制器的低壓信號轉(zhuǎn)化為更高電壓的驅(qū)動(dòng)信號，以實(shí)現(xiàn)功率器件穩(wěn)定導(dǎo)通和關(guān)斷。

2.柵極驅(qū)動(dòng)器能提供瞬態(tài)的拉和灌電流，提高功率器件的開關(guān)速度，降低開關(guān)損耗。

3.驅(qū)動(dòng)器能夠有效隔絕高功率電路的噪聲，防止敏感電路被干擾。

4.通常驅(qū)動(dòng)器集成了保護(hù)功能，有效防止功率器件損壞。

可見，柵極驅(qū)動(dòng)的使用是為了讓功率器件能更好的在系統(tǒng)中發(fā)揮作用。

2. 常見的功率器件有如下四種：

- Si -MOSFET耐壓在20V-650V適用于小功率系統(tǒng)。

- Si-IGBT耐壓大于650V，耐流能力強(qiáng)，適用于高壓高功率系統(tǒng)。

Si-MOSFET和Si-IGBT都屬與Si基的功率器件，制造工藝成熟穩(wěn)定，目前已經(jīng)得到廣泛使用。

- SiC-MOSFET耐壓能力與IGBT相當(dāng)，但其開關(guān)速度快，開關(guān)損耗小，更適用于高壓高功率系統(tǒng)。

- GaN器件目前由于工藝受限，通常耐壓在650V以下，但開關(guān)性能優(yōu)勢明顯，適用高頻高功率系統(tǒng)。

SiC-MOSFET和GaN器件屬于第三代寬禁帶半導(dǎo)體，性能較Si基器件優(yōu)勢明顯，未來應(yīng)用市場廣泛。

3. 納芯微的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品類別

不同的功率器件對柵極驅(qū)動(dòng)要求有所不同，目前納芯微針對四種功率器件，分別開發(fā)出了與之適配的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。

表一：常見4款功率器件特性一覽（來源：納芯微）

2）功率器件開關(guān)過程

柵極驅(qū)動(dòng)是如何控制功率器件導(dǎo)通關(guān)斷的呢？下面將詳細(xì)介紹功率器件開關(guān)過程。功率器件存在等效的寄生電容，CGS, CGD，CDS。功率器件的開關(guān)過程可以等效成對寄生電容的充放電過程。

1. 導(dǎo)通過程

對于導(dǎo)通過程，驅(qū)動(dòng)芯片將輸出經(jīng)過內(nèi)部拉電流MOS接到驅(qū)動(dòng)電源，通過柵極電阻對CGS充電和CGD放電。

圖一：功率器件開關(guān)過程圖示（來源：納芯微）

?(t0-t1)階段：柵極電流給 CGS充電，VGS電壓逐漸增加。此時(shí)功率器件還處于完全關(guān)斷狀態(tài)。

?(t1-t2)階段：VGS電壓升高到大于柵極閾值電壓Vth，功率器件開始導(dǎo)通，IDS電流隨著VGS升高而增加直到最大值。

?(t2-t3)階段：屬于Miller平臺期間，柵極電流主要給CGD放電，VDS電壓開始降低。器件進(jìn)入完全導(dǎo)通狀態(tài)。

?(t3-t4)階段：柵極電流繼續(xù)給CGS充電，VGS逐漸上升到電源電壓，柵極電流降低為零，導(dǎo)通過程結(jié)束，其中，功率器件的導(dǎo)通損耗主要發(fā)生在t1-t3階段。

2. 關(guān)斷過程

對于關(guān)斷過程，驅(qū)動(dòng)芯片將輸出經(jīng)過內(nèi)部灌電流MOS接到GND，通過柵極電阻對CGS放電和對CGD充電。

?(t0-t1)階段：柵極電流主要給 CGS放電，VGS電壓逐漸減小。

?(t1-t2)階段：屬于Miller平臺期間，柵極電流主要給CGD充電，同時(shí)VDS電壓開始上升，當(dāng)電壓達(dá)到VDC后，Miller平臺結(jié)束。

?(t2-t3)階段：IDS電流開始降低，當(dāng)VGS降低至Vth時(shí)，IDS降為零，功率器件完全關(guān)斷。

?(t3-t4)階段：柵極電流繼續(xù)給CGS放電，VGS電壓最終降低為零。關(guān)斷過程結(jié)束。

?功率器件的關(guān)斷損耗主要發(fā)生在t1-t3

綜上可知，縮減t1-t3階段時(shí)間，能夠有效降低功率器件的開關(guān)損耗。

3）常見的三種驅(qū)動(dòng)芯片介紹

目前常用的驅(qū)動(dòng)芯片有三種，分別是非隔離低邊驅(qū)動(dòng)，非隔離半橋驅(qū)動(dòng)，隔離驅(qū)動(dòng)。

1. 對于非隔離低邊驅(qū)動(dòng)，只能用于參考是GND的功率器件，可以實(shí)現(xiàn)雙通道或單通道驅(qū)動(dòng)。非隔離驅(qū)動(dòng)應(yīng)用比較簡單，只需要單電源供電即可。主要用于低壓系統(tǒng)中，如AC/DC、電動(dòng)工具，低壓DC/DC等。目前納芯微有非隔離低邊驅(qū)動(dòng)芯片NSD1026V和NSD1015等。

圖二：非隔離低邊驅(qū)動(dòng)功能框圖（來源：納芯微）

2. 非隔離半橋驅(qū)動(dòng)用于帶半橋的功率系統(tǒng)中。高低邊的耐壓通常采用電平轉(zhuǎn)換或隔離，耐壓在200V-600V范圍。為了防止出現(xiàn)橋臂直通，半橋驅(qū)動(dòng)都帶有互鎖功能。在系統(tǒng)應(yīng)用中，通常采用單電源加自舉供電，主要應(yīng)用在低壓或高壓系統(tǒng)中，如AC/DC、電機(jī)驅(qū)動(dòng)，車載DC/DC等。目前納芯微有半橋驅(qū)動(dòng)芯片NSD1624，NSD1224等。

圖三：非隔離半橋驅(qū)動(dòng)功能框圖（來源：納芯微）

3. 隔離驅(qū)動(dòng)，通過內(nèi)部隔離帶，將高壓和低壓進(jìn)行物理隔離。隔離驅(qū)動(dòng)應(yīng)用靈活，有單通道和雙通道隔離驅(qū)動(dòng)，可以用于低邊，高邊或半橋應(yīng)用等。為了在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)原副邊隔離，高壓側(cè)需要采用隔離電源供電，供電系統(tǒng)相對復(fù)雜。隔離驅(qū)動(dòng)主要用于高壓系統(tǒng)中，如電驅(qū)，光伏逆變器，OBC等。目前納芯微有雙通道隔離驅(qū)動(dòng)NSI6602，單通道隔離驅(qū)動(dòng)NSI6601/NSI6601M，光耦兼容的隔離單管驅(qū)動(dòng)NSI6801，智能隔離驅(qū)動(dòng)NSI6611/NSI68515等。

圖四：隔離驅(qū)動(dòng)功能框圖（來源：納芯微）

二、隔離方案介紹

1）為什么需要隔離？

在一個(gè)高壓功率系統(tǒng)中，通常存在高壓與高壓之間的隔離，高壓與低壓之間的隔離。那為什么需要隔離驅(qū)動(dòng)？一是為了避免高壓電對人體產(chǎn)生傷害，通過隔離以滿足安全標(biāo)準(zhǔn)。第二是保護(hù)控制系統(tǒng)，免受雷擊、高壓瞬變等造成的破壞。第三消除接地環(huán)路，減小高壓側(cè)對低壓側(cè)干擾。第四實(shí)現(xiàn)電壓或電流的變化及能量的傳遞。

2）常見的隔離方案介紹

目前有三種常用的隔離方案，第一種光耦隔離。通過發(fā)光二極管和光電晶體管實(shí)現(xiàn)信號傳輸。優(yōu)點(diǎn)是成本低。缺點(diǎn)是抗共模干擾能力弱，溫度范圍受限，使用壽命短。第二種隔離方案是磁隔離方案，芯片內(nèi)部集成微型變壓器和電子電路，從而實(shí)現(xiàn)信號傳輸。磁隔離芯片的優(yōu)點(diǎn)是，壽命長，使用溫度范圍寬，CMTI能力強(qiáng)，其缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜，成本高，EMI問題突出。第三種隔離方案是電容隔離，通過隔離電容和電子電路實(shí)現(xiàn)信號傳輸。通常采用二氧化硅作為絕緣材料。容隔的優(yōu)點(diǎn)是成本低，隔離壽命長，應(yīng)用的溫度范圍寬，CMTI能力強(qiáng)。納芯微采用電容的隔離方案。

3）納芯微隔離方案介紹

納芯微的隔離驅(qū)動(dòng)通常具有兩個(gè)Die, 分別為用于輸入端的原邊Die和輸出側(cè)的副邊Die。Die與Die中間存在物理隔離。Die上采用了2個(gè)隔離電容串聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)雙重絕緣功能。如果其中一顆Die出現(xiàn)了EOS失效，該驅(qū)動(dòng)芯片仍然能夠維持基本絕緣。兩個(gè)隔離電容的頂基板和底基板之間采用SiO2作為絕緣材料，具有材料性能穩(wěn)定，芯片一致性好，隔離壽命長等優(yōu)點(diǎn)。兩個(gè)隔離電容的頂基板通過金屬線先相連，用于實(shí)現(xiàn)信號傳輸。納芯微的隔離驅(qū)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)12kV的浪涌電壓，和8kV瞬態(tài)絕緣電壓測試，遠(yuǎn)超高壓系統(tǒng)的絕緣要求。

圖五：納芯微雙電容隔離方案（來源：納芯微）

Die與Die之間的通信采用了差分OOK調(diào)制方案，通信穩(wěn)定可靠。輸入信號通過高頻調(diào)制后經(jīng)過隔離電容從原邊Die傳輸?shù)礁邏簜?cè)Die，其中調(diào)制頻率在百兆赫茲以上。在差分信號的輸入端增加了專有CMTI模塊電路，從而使芯片的CMTI能力更強(qiáng)，能達(dá)到150V/ns，對于高dv/dt的功率系統(tǒng)，芯片仍然穩(wěn)定工作，不會(huì)出現(xiàn)發(fā)波異常。

圖六：差分OOK信號調(diào)制（來源：納芯微）

審核編輯 黃宇