納芯微柵極驅動器及其應用介紹 目錄 一、柵極驅動器介紹 1）為什麼需要柵極驅動器？ 2）功率器件開關過程介紹 3）三種常見驅動晶片介紹 二、隔離方案介紹 1）為什麼需要隔離驅動 2）主流隔離方案介紹 3）納芯微隔離方案介紹
一、柵極驅動器介紹 1）為什麼需要柵極驅動器？ 柵極驅動器是低壓控制器和高功電路之間的緩衝電路，用於放大控制器的控制信號，從而實現功率器件更有效的導通和關斷。
1.柵極驅動器的作用總結如下： 1.將控制器的低壓信號轉化為更高電壓的驅動信號，以實現功率器件穩定導通和關斷。 2.柵極驅動器能提供瞬態的拉和灌電流，提高功率器件的開關速度，降低開關損耗。 3.驅動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. 通常驅動器集成了保護功能，有效防止功率器件損壞。 可見，柵極驅動的使用是為了讓功率器件能更好的在系統中發揮作用。
2. 常見的功率器件有如下四種： - Si -MOSFET耐壓在20V-650V適用於小功率系統。 - Si-IGBT耐壓大於650V，耐流能力強，適用於高壓高功率系統。 Si-MOSFET和Si-IGBT都屬與Si基的功率器件，製造工藝成熟穩定，目前已經得到廣泛使用。 - SiC-MOSFET耐壓能力與IGBT相當，但其開關速度快，開關損耗小，更適用於高壓高功率系統。 - GaN器件目前由於工藝受限，通常耐壓在650V以下，但開關性能優勢明顯，適用高頻高功率系統。 SiC-MOSFET和GaN器件屬於第三代寬禁帶半導體，性能較Si基器件優勢明顯，未來應用市場廣泛。
3. 納芯微的驅動產品類別 不同的功率器件對柵極驅動要求有所不同，目前納芯微針對四種功率器件，分別開發出了與之適配的驅動產品。
表一：常見4款功率器件特性一覽 2）功率器件開關過程 柵極驅動是如何控制功率器件導通關斷的呢？下面將詳細介紹功率器件開關過程。功率器件存在等效的寄生電容，CGS, CGD，CDS。功率器件的開關過程可以等效成對寄生電容的充放電過程。
1. 導通過程 對於導通過程，驅動晶片將輸出經過內部拉電流MOS接到驅動電源，通過柵極電阻對CGS充電和CGD放電。
圖一：功率器件開關過程圖示 ✓(t0-t1)階段：柵極電流給 CGS充電，VGS電壓逐漸增加。此時功率器件還處於完全關斷狀態。 ✓(t1-t2)階段：VGS電壓升高到大於柵極閾值電壓Vth，功率器件開始導通，IDS電流隨著VGS升高而增加直到最大值。 ✓(t2-t3)階段：屬於Miller平台期間，柵極電流主要給CGD放電，VDS電壓開始降低。器件進入完全導通狀態。 ✓(t3-t4)階段：柵極電流繼續給CGS充電， VGS逐漸上升到電源電壓，柵極電流降低為零，導通過程結束，其中，功率器件的導通損耗主要發生在t1-t3階段。
2. 關斷過程 對於關斷過程，驅動晶片將輸出經過內部灌電流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：屬於Miller平台期間，柵極電流主要給CGD充電，同時VDS電壓開始上升，當電壓達到VDC後，Miller平台結束。 ✓(t2-t3)階段：IDS電流開始降低，當VGS降低至Vth時，IDS降為零，功率器件完全關斷。 ✓(t3-t4)階段：柵極電流繼續給CGS放電，VGS電壓最終降低為零。關斷過程結束。 ✓功率器件的關斷損耗主要發生在t1-t3 綜上可知，縮減t1-t3階段時間，能夠有效降低功率器件的開關損耗。
3）常見的三種驅動晶片介紹 目前常用的驅動晶片有三種，分別是非隔離低邊驅動，非隔離半橋驅動，隔離驅動。
1. 對於非隔離低邊驅動，只能用於參考是GND的功率器件，可以實現雙通道或單通道驅動。非隔離驅動應用比較簡單，只需要單電源供電即可。主要用於低壓系統中，如AC/DC、電動工具，低壓DC/DC等。目前納芯微有非隔離低邊驅動晶片NSD1026V和NSD1015等。
圖二：非隔離底邊驅動功能框圖 2. 非隔離半橋驅動用於帶半橋的功率系統中。高低邊的耐壓通常採用電平轉換或隔離，耐壓在200V-600V範圍。為了防止出現橋臂直通，半橋驅動都帶有互鎖功能。在系統應用中，通常採用單電源加自舉供電，主要應用在低壓或高壓系統中，如AC/DC、電機驅動，車載DC/DC等。目前納芯微有半橋驅動晶片NSD1624，NSD1224等。 圖三：非隔離半橋驅動功能框圖 3. 隔離驅動，通過內部隔離帶，將高壓和低壓進行物理隔離。隔離驅動應用靈活，有單通道和雙通道隔離驅動，可以用於低邊，高邊或半橋應用等。為了在系統中實現原副邊隔離，高壓側需要採用隔離電源供電，供電系統相對複雜。隔離驅動主要用於高壓系統中，如電驅，光伏逆變器，OBC等。目前納芯微有雙通道隔離驅動NSI6602，單通道隔離驅動NSI6601/NSI6601M，光耦兼容的隔離單管驅動NSI6801，智能隔離驅動NSI6611/NSI68515等。 圖四：隔離驅動功能框圖 二、隔離方案介紹 1）為什麼需要隔離？ 在一個高壓功率系統中，通常存在高壓與高壓之間的隔離，高壓與低壓之間的隔離。那為什麼需要隔離驅動？一是為了避免高壓電對人體產生傷害，通過隔離以滿足安全標準。第二是保護控制系統，免受雷擊、高壓瞬變等造成的破壞。第三消除接地環路，減小高壓側對低壓側干擾。第四實現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。通過發光二極體和光電電晶體實現信號傳輸。優點是成本低。缺點是抗共模干擾能力弱，溫度範圍受限，使用壽命短。第二種隔離方案是磁隔離方案，晶片內部集成微型變壓器和電子電路，從而實現信號傳輸。磁隔離晶片的優點是，壽命長，使用溫度範圍寬，CMTI能力強，其缺點是工藝複雜，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現信號傳輸。通常採用二氧化矽作為絕緣材料。容隔的優點是成本低，隔離壽命長，應用的溫度範圍寬，CMTI能力強。納芯微採用電容的隔離方案。
3）納芯微隔離方案介紹 納芯微的隔離驅動通常具有兩個Die, 分別為用於輸入端的原邊Die和輸出側的副邊Die。Die與Die中間存在物理隔離。Die上採用了2個隔離電容串聯，從而實現雙重絕緣功能。如果其中一顆Die出現了EOS失效，該驅動晶片仍然能夠維持基本絕緣。兩個隔離電容的頂基板和底基板之間採用SiO2作為絕緣材料，具有材料性能穩定，晶片一致性好，隔離壽命長等優點。兩個隔離電容的頂基板通過金屬線先相連，用於實現信號傳輸。納芯微的隔離驅動能夠實現12kV的浪涌電壓，和8kV瞬態絕緣電壓測試，遠超高壓系統的絕緣要求。 圖五：納芯微雙電容隔離方案 Die與Die之間的通信採用了差分OOK調製方案，通信穩定可靠。輸入信號通過高頻調製後經過隔離電容從原邊Die傳輸到高壓側Die，其中調製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，從而使晶片的CMTI能力更強，能達到150V/ns，對於高dv/dt的功率系統，晶片仍然穩定工作，不會出現發波異常。
圖六：差分OOK信號調製 |
