必易微KP85402柵極驅(qū)動器解決方案

現(xiàn)代功率電子應(yīng)用是基于功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)技術(shù)，而所有功率開關(guān)器件均需要合適的柵極驅(qū)動解決方案。柵極驅(qū)動器作為連接功率器件與微控制器的重要器件，通過接收來自微控制器 (MCU/DSP) 的控制信號，提供功率開關(guān)器件柵極所需驅(qū)動電壓，實(shí)現(xiàn)功率器件開通與關(guān)斷，從而完成各類功率電子應(yīng)用。

必易微新推出的柵極驅(qū)動器 KP85402，聚焦家用電器、工業(yè)新能源等應(yīng)用場合，可為客戶提供高可靠性、低成本柵極驅(qū)動解決方案。

KP85402 產(chǎn)品亮點(diǎn)

KP85402 開關(guān)節(jié)點(diǎn)耐壓為 650V，輸出峰值拉電流和灌電流能力分別為 300mA 和 1000mA，專用于驅(qū)動功率 MOSFETs 或 IGBTs。KP85402 在開關(guān)節(jié)點(diǎn) VS 瞬態(tài) -60V(100ns) 情況下可保證系統(tǒng)正常工作，可支持 100V/ns 的 dv/dt 變化。

此外，KP85402 具有完善保護(hù)功能，包括：輸入浮空或輸入脈沖寬度不足時(shí)，輸出保持低電平；內(nèi)置互鎖和死區(qū)保護(hù)功能，可防止高低側(cè)驅(qū)動同時(shí)打開；同時(shí)具有高側(cè)和低側(cè) UVLO 保護(hù)，系統(tǒng)可靠性強(qiáng)。

圖 2. KP85402 典型應(yīng)用電路

針對家用電器、工業(yè)新能源等應(yīng)用場合，可靠性是客戶器件選型的首要考慮因素。對柵極驅(qū)動器而言，可靠性可從以下幾個(gè)方面來衡量。

亮點(diǎn) 1

開關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)壓能力

在半橋拓?fù)鋺?yīng)用中，通常使用感性負(fù)載，同時(shí)因?yàn)楣β势骷陨砑纳姼泻凸β驶芈芳纳姼?，在高?cè)功率管關(guān)斷時(shí)，續(xù)流回路在開關(guān)節(jié)點(diǎn)會產(chǎn)生負(fù)壓。該負(fù)壓包含一個(gè)由寄生電感 L3、L4 導(dǎo)致的較大動態(tài)尖峰負(fù)壓和一個(gè)由線路寄生電阻以及下管體二極管 D2 導(dǎo)通導(dǎo)致的較低靜態(tài)負(fù)壓，如圖 3 所示。

圖 3. 開關(guān)電流路徑及 VS 電壓

當(dāng)開關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)壓越大時(shí)，柵極驅(qū)動芯片內(nèi)部器件承受更高電壓應(yīng)力，更容易擊穿失效。同時(shí)開關(guān)節(jié)點(diǎn) VS 負(fù)壓越大，導(dǎo)致柵極驅(qū)動芯片高側(cè)供電節(jié)點(diǎn) HB 瞬態(tài)電壓越低，當(dāng) HB 電壓低于參考地 COM 時(shí)，內(nèi)部寄生二極管導(dǎo)通可能引起邏輯錯誤或者芯片燒毀，影響柵極驅(qū)動器的可靠工作。因此，更高的開關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)壓承受能力可以提升惡劣工況下功率系統(tǒng)的可靠性。

KP85402 開關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)壓能力測試波形如圖 4 所示，在 VDD 電源電壓為 15V，VS 瞬態(tài)負(fù)壓 -60V(100ns) 條件下，高側(cè)輸出邏輯無異常，芯片未損壞；在輸入 HIN 控制信號為 20kHz 開關(guān)頻率條件下，開關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)壓拉到 -10V，輸入信號 HIN 仍能準(zhǔn)確控制輸出信號 HO。

圖 4. KP85402 開關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)壓測試波形

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，在同樣測試條件下，綜合對比測試市面上幾款同類產(chǎn)品，必易微 KP85402 負(fù)壓承受能力與國際一線品牌承受能力相當(dāng)，處于國內(nèi)先進(jìn)水平。

表 1. 負(fù)壓能力對比

亮點(diǎn) 2

開關(guān)節(jié)點(diǎn)

高 dv/dt 噪聲抑制能力

高壓半橋柵極驅(qū)動器高側(cè)驅(qū)動電路多采用自舉式電路結(jié)構(gòu)，利用柵極驅(qū)動器內(nèi)部的電平移位電路可將低壓邏輯控制信號傳遞至高側(cè)。由于高側(cè)控制驅(qū)動電路參考于開關(guān)節(jié)點(diǎn) VS，在高速開關(guān)狀態(tài)下，芯片內(nèi)部的寄生電流會通過耦合路徑傳遞至低壓側(cè)，當(dāng)芯片內(nèi)部存在失配時(shí)，會產(chǎn)生差模干擾信號，從而影響正確的輸入輸出邏輯。

KP85402 采用必易微特有的電平位移和共模噪音抑制技術(shù)，可有效抑制開關(guān)節(jié)點(diǎn)高速開關(guān)過程中產(chǎn)生的共模噪音干擾，防止誤觸發(fā)，從而保證系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，KP85402 開關(guān)節(jié)點(diǎn) dv/dt 在 100V/ns 時(shí)，高側(cè) HO 輸出未發(fā)生異常，并具有較大的可靠性裕量。

圖 5. 輸出開關(guān)節(jié)點(diǎn) dv/dt 變化 (109V/nS)

亮點(diǎn) 3

更低的傳播延遲與延遲匹配

在半橋開關(guān)電路中，傳播延遲與延遲匹配是柵極驅(qū)動器的關(guān)鍵參數(shù)，更低的傳播延遲意味著更快的響應(yīng)能力，如短路保護(hù)或精確限流就要求控制回路響應(yīng)時(shí)間足夠短。

此外，柵極驅(qū)動器的高側(cè)與低側(cè)之間的傳播延遲可能也會有所不同，由于芯片內(nèi)部電路和器件之間的差異 (例如高側(cè)驅(qū)動器的傳播延遲比低側(cè)驅(qū)動器更長)，高低側(cè)輸出的高電平驅(qū)動信號可能會在某些開關(guān)周期 (甚至包含死區(qū)時(shí)間) 內(nèi)重疊，如果發(fā)生這種情況，將會出現(xiàn)短路并導(dǎo)致功率開關(guān)器件或負(fù)載損壞。綜合對比測試市面上幾款同類產(chǎn)品，必易微 KP85402 具有更低的傳播延遲與延遲匹配。

圖 6. 傳播延遲對半橋開關(guān)的影響

表 2. 傳播延遲與延遲匹配對比

亮點(diǎn) 4

較高的驅(qū)動電流能力

半橋開關(guān)電路存在串?dāng)_問題，例如低側(cè)開關(guān)器件保持關(guān)斷，高側(cè)開關(guān)器件打開時(shí)，開關(guān)節(jié)點(diǎn) VS 電壓被迅速拉高至母線電壓 VBUS 的過程中，低側(cè)開關(guān)器件米勒電容兩端電壓快速變化，產(chǎn)生位移電流 Igd，并通過柵極關(guān)斷電阻以及 LO 內(nèi)部等效下拉電阻產(chǎn)生電壓降，如果這個(gè)電壓降大于低側(cè)開關(guān)器件的開通閾值，低側(cè)器件就會開通，從而導(dǎo)致半橋電路直通甚至損壞。KP85402 驅(qū)動灌電流能力為 1000mA，具有更強(qiáng)的位移電流吸收能力。

另一方面，在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，工程師們總是在開關(guān)損耗和 EMI 表現(xiàn)之間權(quán)衡。在開關(guān)損耗允許的范圍內(nèi)，柵極驅(qū)動器的輸出與開關(guān)器件柵極之間往往會串聯(lián)適當(dāng)驅(qū)動電阻，以限制開關(guān)器件的開通速度，從而優(yōu)化 EMI 表現(xiàn)。不同功率段，該優(yōu)化的驅(qū)動電流不同。更大的驅(qū)動電流意味著能夠適配更寬范圍的功率應(yīng)用。相比于市面上幾款同類產(chǎn)品，必易微 KP85402 產(chǎn)品，具有較高的峰值驅(qū)動電流能力。

圖 7. 半橋電路串?dāng)_問題

表 3. 峰值驅(qū)動電流對比

亮點(diǎn) 5

其他可靠性表現(xiàn)

KP85402 還集成有高低側(cè)欠壓鎖定 (UVLO) 功能，確保半橋柵極驅(qū)動器驅(qū)動的外圍功率器件有足夠的柵極電壓，可以完全打開功率器件。KP85402 集成內(nèi)部互鎖和死區(qū)保護(hù)功能，在輸出狀態(tài)改變時(shí)，可自動插入死區(qū)，確保柵極驅(qū)動器高低側(cè)一側(cè)打開前，另一側(cè)完全關(guān)斷，防止高低側(cè)共通的情況發(fā)生。

此外，KP85402 還集成有輸入脈沖濾波功能。實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)在功率器件開關(guān)時(shí)會產(chǎn)生較大的 dv/dt 和 di/dt，該開關(guān)噪聲會耦合到與柵極驅(qū)動器相連的控制信號線，柵極驅(qū)動器的輸入端會產(chǎn)生電壓尖峰干擾，并使驅(qū)動器產(chǎn)生錯誤的驅(qū)動信號，導(dǎo)致開關(guān)器件誤開通與誤關(guān)斷，使得系統(tǒng)無法正常工作。KP85402 內(nèi)部集成的輸入脈沖濾波器能夠?yàn)V除這些尖峰噪聲信號，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。