技术分享栅极驱动器及其应用介绍

技术分享 | 栅极驱动器及其应用介绍###

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目录

一、栅极驱动器介绍

1）为什么需要栅极驱动器？

2）功率器件开关过程介绍

3）三种常见驱动芯片介绍

二、隔离方案介绍

1）为什么需要隔离驱动

2）主流隔离方案介绍

3）纳芯微隔离方案介绍

1)

栅极驱动器介绍

1）为什么需要栅极驱动器？

栅极驱动器是低压控制器和高功电路之间的缓冲电路，用于放大控制器的控制信号，从而实现功率器件更有效的导通和关断。

1. 栅极驱动器的作用总结如下：

1. 将控制器的低压信号转化为更高电压的驱动信号，以实现功率器件稳定导通和关断。

2. 栅极驱动器能提供瞬态的拉和灌电流，提高功率器件的开关速度，降低开关损耗。

3. 驱动器能够有效隔绝高功率电路的噪声，防止敏感电路被干扰。

4. 通常驱动器集成了保护功能，有效防止功率器件损坏。

可见，栅极驱动的使用是为了让功率器件能更好的在系统中发挥作用。

2. 常见的功率器件有如下四种：

- Si -MOSFET耐压在20V-650V适用于小功率系统。

- Si-IGBT耐压大于650V，耐流能力强，适用于高压高功率系统。

Si-MOSFET和Si-IGBT都属与Si基的功率器件，制造工艺成熟稳定，目前已经得到广泛使用。

- SiC-MOSFET耐压能力与IGBT相当，但其开关速度快，开关损耗小，更适用于高压高功率系统。

- GaN器件目前由于工艺受限，通常耐压在650V以下，但开关性能优势明显，适用高频高功率系统。

SiC-MOSFET和GaN器件属于第三代宽禁带半导体，性能较Si基器件优势明显，未来应用市场广泛。

3. 纳芯微的驱动产品类别

不同的功率器件对栅极驱动要求有所不同，目前纳芯微针对四种功率器件，分别开发出了与之适配的驱动产品。

表一：常见4款功率器件特性一览

2）功率器件开关过程

栅极驱动是如何控制功率器件导通关断的呢？下面将详细介绍功率器件开关过程。功率器件存在等效的寄生电容，CGS, CGD，CDS。功率器件的开关过程可以等效成对寄生电容的充放电过程。

1. 导通过程

对于导通过程，驱动芯片将输出经过内部拉电流MOS接到驱动电源，通过栅极电阻对CGS充电和CGD放电。

图一：功率器件开关过程图示

(t0-t1)阶段：栅极电流给 CGS充电，VGS电压逐渐增加。此时功率器件还处于完全关断状态。

(t1-t2)阶段：VGS电压升高到大于栅极阈值电压Vth，功率器件开始导通，IDS电流随着VGS升高而增加直到最大值。

(t2-t3)阶段：属于Miller平台期间，栅极电流主要给CGD放电，VDS电压开始降低。器件进入完全导通状态。

(t3-t4)阶段：栅极电流继续给CGS充电， VGS逐渐上升到电源电压，栅极电流降低为零，导通过程结束，其中，功率器件的导通损耗主要发生在t1-t3阶段。

2. 关断过程

对于关断过程，驱动芯片将输出经过内部灌电流MOS接到GND，通过栅极电阻对CGS放电和对CGD充电。

(t0-t1)阶段：栅极电流主要给 CGS放电，VGS电压逐渐减小。

(t1-t2)阶段：属于Miller平台期间，栅极电流主要给CGD充电，同时VDS电压开始上升，当电压达到VDC后，Miller平台结束。

(t2-t3)阶段：IDS电流开始降低，当VGS降低至Vth时，IDS降为零，功率器件完全关断。

(t3-t4)阶段：栅极电流继续给CGS放电，VGS电压最终降低为零。关断过程结束。

功率器件的关断损耗主要发生在t1-t3

综上可知，缩减t1-t3阶段时间，能够有效降低功率器件的开关损耗。

3）常见的三种驱动芯片介绍

目前常用的驱动芯片有三种，分别是非隔离低边驱动，非隔离半桥驱动，隔离驱动。

1. 对于非隔离低边驱动，只能用于参考是GND的功率器件，可以实现双通道或单通道驱动。非隔离驱动应用比较简单，只需要单电源供电即可。主要用于低压系统中，如AC/DC、电动工具，低压DC/DC等。目前纳芯微有非隔离低边驱动芯片NSD1026V和NSD1015等。

图二：非隔离底边驱动功能框图

2. 非隔离半桥驱动用于带半桥的功率系统中。高低边的耐压通常采用电平转换或隔离，耐压在200V-600V范围。为了防止出现桥臂直通，半桥驱动都带有互锁功能。在系统应用中，通常采用单电源加自举供电，主要应用在低压或高压系统中，如AC/DC、电机驱动，车载DC/DC等。目前纳芯微有半桥驱动芯片NSD1624，NSD1224等。

图三：非隔离半桥驱动功能框图

3. 隔离驱动，通过内部隔离带，将高压和低压进行物理隔离。隔离驱动应用灵活，有单通道和双通道隔离驱动，可以用于低边，高边或半桥应用等。为了在系统中实现原副边隔离，高压侧需要采用隔离电源供电，供电系统相对复杂。隔离驱动主要用于高压系统中，如电驱，光伏逆变器，OBC等。目前纳芯微有双通道隔离驱动NSI6602，单通道隔离驱动NSI6601/NSI6601M，光耦兼容的隔离单管驱动NSI6801，智能隔离驱动NSI6611/NSI68515等。

图四：隔离驱动功能框图

2）

隔离方案介绍

1）为什么需要隔离？

在一个高压功率系统中，通常存在高压与高压之间的隔离，高压与低压之间的隔离。那为什么需要隔离驱动？一是为了避免高压电对人体产生伤害，通过隔离以满足安全标准。第二是保护控制系统，免受雷击、高压瞬变等造成的破坏。第三消除接地环路，减小高压侧对低压侧干扰。第四实现电压或电流的变化及能量的传递。

2）常见的隔离方案介绍

目前有三种常用的隔离方案，第一种光耦隔离。通过发光二极管和光电晶体管实现信号传输。优点是成本低。缺点是抗共模干扰能力弱，温度范围受限，使用寿命短。第二种隔离方案是磁隔离方案，芯片内部集成微型变压器和电子电路，从而实现信号传输。磁隔离芯片的优点是，寿命长，使用温度范围宽，CMTI能力强，其缺点是工艺复杂，成本高，EMI问题突出。第三种隔离方案是电容隔离，通过隔离电容和电子电路实现信号传输。通常采用二氧化硅作为绝缘材料。容隔的优点是成本低，隔离寿命长，应用的温度范围宽，CMTI能力强。纳芯微采用电容的隔离方案。

3）纳芯微隔离方案介绍

纳芯微的隔离驱动通常具有两个Die, 分别为用于输入端的原边Die和输出侧的副边Die。Die与Die中间存在物理隔离。Die上采用了2个隔离电容串联，从而实现双重绝缘功能。如果其中一颗Die出现了EOS失效，该驱动芯片仍然能够维持基本绝缘。两个隔离电容的顶基板和底基板之间采用SiO2作为绝缘材料，具有材料性能稳定，芯片一致性好，隔离寿命长等优点。两个隔离电容的顶基板通过金属线先相连，用于实现信号传输。纳芯微的隔离驱动能够实现12kV的浪涌电压，和8kV瞬态绝缘电压测试，远超高压系统的绝缘要求。

图五：纳芯微双电容隔离方案

Die与Die之间的通信采用了差分OOK调制方案，通信稳定可靠。输入信号通过高频调制后经过隔离电容从原边Die传输到高压侧Die，其中调制频率在百兆赫兹以上。在差分信号的输入端增加了专有CMTI模块电路，从而使芯片的CMTI能力更强，能达到150V/ns，对于高dv/dt的功率系统，芯片仍然稳定工作，不会出现发波异常。

图六：差分OOK信号调制

纳芯微推出半桥隔离栅极驱动器NSi6602，支持大功率开关电源应用

对于快充电源来说，一般是使用独立的初级控制器搭配次级同步整流控制器，次级同步整流控制器自动检测初级开关管的开关，自动控制同步整流管的开关。对于更大功率的电源来说，其内部的LLC控制器，会由初级LLC控制器输出同步整流信号，而无需次级同步整流控制器，从而获得更高的效率。

我们都知道开关电源内部是初次级隔离的，输出电压通过光耦来反馈。对于大功率开关电源来说，为了降低初级的损耗，会把控制器放在次级，由辅助电源进行供电。这样一来，就需要一颗隔离驱动器，将控制器输出的驱动信号隔离放大，用来驱动初级MOS管。

通常我们所熟知的隔离器件是光耦，光耦确实可以起到隔离通信的作用，但是光耦内部没有驱动器，需要外置的独立驱动器，使用起来比较麻烦。苏州纳芯微推出了一款高可靠性隔离式双通道栅极驱动器NSi6602，支持半桥驱动，可用于大功率开关电源的LLC初级驱动，实现精简可靠的隔离驱动设计。

苏州纳芯微电子股份有限公司是高性能高可靠性模拟芯片的研发设计企业。纳芯微自2013年成立以来，专注于围绕各个应用场景进行产品开发，由传感器信号调理ASIC芯片出发，向前后端拓展了集成式传感器芯片、隔离与接口芯片、驱动与采样芯片，形成了信号感知、系统互联与功率驱动的产品布局。

纳芯微在混合信号处理、高耐压数字隔离、集成式传感器设计等领域拥有独立知识产权和丰富技术储备，产品已作为新能源汽车、工业自动化等应用的关键芯片，成功进入多个行业一线客户的供应体系并实现大规模量产。同时公司持续加大各应用场景的产品研发，产品被广泛应用于国内知名品牌客户，涵盖信息通讯、工业控制、汽车电子和消费电子等领域。

在鑫谷昆仑650W金牌全模SFX电源上，就使用纳芯微NSi6602将LLC控制器输出的驱动信号隔离并驱动两颗LLC开关管，芯片内置驱动器，可直接驱动MOS管，无需外置驱动器。简化开关电源初级电路设计，同时提高效率。

纳芯微NSi6602是一颗高可靠的双通道隔离栅极驱动器芯片，支持2MHz开关频率应用。提供5000Vrms隔离，内置的驱动器支持4A灌电流和6A拉电流输出，具有19ns的典型传播延迟以及5ns最大延迟匹配。

NSi6602驱动级支持28V供电电压，输入侧支持2.7-5.5V电源电压，匹配3.3及5V供电的控制器。死区时间支持编程设置，最小输入脉冲宽度为20ns，支持-40℃~125℃工作温度，提供LGA13、SOIC14宽体和SOIC16宽体封装，并提供车规级产品。

NSi6602支持服务器、通信电源和工业电源的隔离电源应用，支持新能源逆变器应用，支持电机驱动及新能源汽车充电机应用，高集成和高可靠优势大大拓展了产品的应用场景。

图为NSi6602的半桥驱动应用示意图，芯片双通道驱动器互为隔离，其中LGA13封装支持最高700V耐压，SOP16封装支持最高1500V耐压，SOP14封装支持最高1850V耐压，满足绝大多数开关电源隔离应用，支持半桥LLC以及移相全桥等大功率应用。

充电头网总结

伴随着新能源应用兴起，储能、太阳风能等应用，对于大功率开关电源的需求与日俱增，更高可靠性以及高效的开关电源可以说是新能源的基石。第三代半导体现在已经广泛应用在手机和电脑快充上，碳化硅和氮化镓也已应用在大功率PC电源中。

纳芯微具有丰富的产品线，具备隔离接口芯片和驱动采样芯片，能够充分满足大功率开关电源应用，满足高效高可靠性的要求，同时采样芯片能够用于电压电流及温度采集，满足全面的监控要求。

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