車(chē)用柵極驅(qū)動(dòng)器涵蓋所有應(yīng)用 助力汽車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

內(nèi)燃機(jī)(ICE)、混合動(dòng)力汽車(chē)以及電動(dòng)汽車(chē)?yán)^續(xù)推動(dòng)新型功率半導(dǎo)體支持技術(shù)的發(fā)展。低壓和高壓應(yīng)用中的功率器件需要以逐漸增加的頻率運(yùn)行、具有更強(qiáng)的抗干擾能力和更高的效率。擴(kuò)展MOSFET和IGBT器件在負(fù)載管理、功率逆變器、柴油/汽油噴油器、發(fā)動(dòng)機(jī)閥和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方面的用途，使得車(chē)用柵極驅(qū)動(dòng)器的需求日益增長(zhǎng)。

HEV/EV汽車(chē)的電氣結(jié)構(gòu)在所有原始設(shè)備制造商中逐漸協(xié)調(diào)。常見(jiàn)構(gòu)建模塊反過(guò)來(lái)推動(dòng)半導(dǎo)體制造商開(kāi)發(fā)符合汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)(AECQ100和Q101)的新一代元件。穩(wěn)健的高電流、高電壓MOSFET、IGBT、高電壓整流器和支持控制IC都不再罕見(jiàn)。飛兆半導(dǎo)體的AECQ100柵極驅(qū)動(dòng)器系列包括所有高電流低端、高電壓IC(HVIC)、高端和HVIC半橋(高和低)端柵極驅(qū)動(dòng)器以適應(yīng)廣泛應(yīng)用。

飛兆半導(dǎo)體汽車(chē)柵極驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品組合的最新成員將HVIC產(chǎn)品線(xiàn)擴(kuò)展到逆變器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用所需的高峰值電流范圍。FAN7171_F085高邊和FAN7190_F085高邊和低邊柵極驅(qū)動(dòng)器IC都是使用高達(dá)+600V電壓進(jìn)行操作的單片器件車(chē)用系統(tǒng)中需要各類(lèi)柵極驅(qū)動(dòng)器的常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)現(xiàn)在正在研發(fā)。

高電流低邊柵極驅(qū)動(dòng)器

從壓電式噴油器到低功率轉(zhuǎn)換器的接地源電路中，低邊柵極驅(qū)動(dòng)器常用于驅(qū)動(dòng)MOSFET單柵極驅(qū)動(dòng)器和雙柵極驅(qū)動(dòng)器均采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)引腳，可選擇輸入邏輯電平(CMOS或TTL)，使能或禁用電路，以及雙邏輯輸入。飛兆半導(dǎo)體車(chē)用低端柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出階段利用Miller Drive TM架構(gòu)，該架構(gòu)包括一個(gè)與MOSFET并聯(lián)的雙極型器件。(圖1)該雙極型器件旨在提供高峰值電流，用于在開(kāi)啟或關(guān)斷周期內(nèi)加速通過(guò)米勒效應(yīng)平臺(tái)區(qū)域的轉(zhuǎn)換。并聯(lián)MOSFET提供最低電壓降。

圖1高電流低邊柵極驅(qū)動(dòng)器的MillerDriveTM架構(gòu)輸出級(jí)

常見(jiàn)用途包括升壓轉(zhuǎn)換器中的前端MOSFET，為接地源配置中的器件和MOSFET充電的PFC前端的MOSFET和IGBT。

雙通道2A和雙通道4A低邊器件在50W到500W的AC功率轉(zhuǎn)換器的第一階段很常用，使用頻率范圍從50kHz到50kHz的標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？芍苯釉?2V電池電源中工作的最常見(jiàn)拓?fù)涫峭仆旖Y(jié)構(gòu)。輸出電壓通常在170Vdc到280Vdc之間。額定功率為200w或更高升壓轉(zhuǎn)換器的另一項(xiàng)應(yīng)用是用作HEV/EV高壓電軌應(yīng)急電源，僅用12V的電源就能夠有效“啟動(dòng)”故障車(chē)輛。

圖2推挽前端與同步整流器輸出

低功率轉(zhuǎn)換器通常使用簡(jiǎn)單整流器進(jìn)行輸出。然而，高壓整流器可用同步整流代替，實(shí)現(xiàn)更高輸出功率和更高效率，如圖2所示，使用諸如FAN3227_F085等雙通道低邊高電流柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)MOSFET。

HVIC半橋和高邊驅(qū)動(dòng)器

使用小于1A的峰值輸出電流的車(chē)用HVIC驅(qū)動(dòng)器將會(huì)逐漸增多。這些驅(qū)動(dòng)器可用于高達(dá)600V的高壓負(fù)載。從低壓電池以12V或24V運(yùn)行低壓負(fù)載也是很經(jīng)濟(jì)的。帶有適當(dāng)柵極電阻網(wǎng)絡(luò)的較低輸出電流可提供更低的PWM電磁輻射，從幾百赫茲到幾十千赫茲。

使用HVIC時(shí)，即使在較低電壓(12V或24V)情況下，使用高邊驅(qū)動(dòng)器，半橋、全橋和多相橋來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載仍具有實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)意義。除了HEV/EV外，如電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向中，這一拓?fù)涞玫匠浞煮w現(xiàn)。圖3顯示了一個(gè)用于單端負(fù)載PWM的通用半橋配置，可進(jìn)行有效再循環(huán)。此半橋拓?fù)淇捎糜诮拥刎?fù)載或連接電池的負(fù)載，以及其它各種電源電壓。全橋或多相配置可用于往復(fù)雨刷、可逆流動(dòng)循環(huán)泵和雙向冷卻風(fēng)扇。

圖3 HVIC半橋[!--empirenews.page--]

在中壓應(yīng)用(V_Load約為100V)中，如一些柴油噴射應(yīng)用，高邊HVIC柵極驅(qū)動(dòng)器可提供卓越的性能。FAN7081_GF085、FAN7083_GF085和FAN7085_GF085都比較適合此類(lèi)市場(chǎng)。在一些負(fù)載主要是電容性的負(fù)載配置中，在每個(gè)周期中，建立升壓電容自舉電壓可能需要一個(gè)DC再充電路徑。FAN7085_GF085為該負(fù)載配置提供了特殊功能，通過(guò)內(nèi)部延遲來(lái)防止再充電路徑中的擊穿傳導(dǎo)。

圖4 HVIC高邊及Vboot再充電功能

HVIC高電流驅(qū)動(dòng)器

高功率DC/DC轉(zhuǎn)換器在HEV/EV電氣系統(tǒng)中比較常見(jiàn)。這些通常都是全橋前端驅(qū)動(dòng)的正向轉(zhuǎn)換器。關(guān)鍵特性包括：

1. 主牽引升壓轉(zhuǎn)換器，將主要電池從特定充電電壓(大約150V到300V)提升至驅(qū)動(dòng)電壓，可能是600V或者更高。額定功率由車(chē)輛牽引功率決定。

2. 用于附件的降壓轉(zhuǎn)換器，代替HEV/EV汽車(chē)的交流發(fā)電機(jī)和12V/24V電池，驅(qū)動(dòng)照明、雨刷、HVAC、除霜裝置、座椅、娛樂(lè)信息系統(tǒng)、電動(dòng)窗以及其它所有低壓設(shè)備。其中一些是雙向的，使用低功率反向模式來(lái)替代應(yīng)急電源(快速啟動(dòng))升壓逆變器。正向時(shí)功率可能在1.5KW到3KW之間。這些轉(zhuǎn)換器必須在與牽引升壓轉(zhuǎn)換器相同的輸入電壓范圍內(nèi)工作。

3. 充電設(shè)備中的降壓轉(zhuǎn)換器將離線(xiàn)PFC升壓電壓(約400V)降低成一個(gè)可調(diào)充電電壓。轉(zhuǎn)換器的大小由其目標(biāo)兼容性以及AC電源確定。

由于高功率要求，所需工作頻率持續(xù)提高以減少磁路重量和體積。使用現(xiàn)今的IGBT進(jìn)行的設(shè)計(jì)通常被限制為小于100kHZ。使用MOSFET的應(yīng)用可能以250kHZ或者更高的功率工作。許多設(shè)計(jì)采用諸如串聯(lián)諧振操作和零電壓開(kāi)關(guān)這類(lèi)技術(shù)要驅(qū)動(dòng)這些較大功率全橋應(yīng)用中使用的大功率器件，進(jìn)行快速開(kāi)關(guān)和精度控制，飛兆半導(dǎo)體高電流HVIC提供超過(guò)4Amp的峰值灌電流和拉電流，加快上升和下降時(shí)間(小于15/25nS)并降低傳導(dǎo)時(shí)間(小于150nS)。實(shí)現(xiàn)運(yùn)行穩(wěn)健性的關(guān)鍵特征包括采用滯洄的輸入抗干擾性能和輸出共橋點(diǎn)上允許的較大負(fù)電壓擺幅。飛兆半導(dǎo)體將后者稱(chēng)之為–Vs額定值，對(duì)于所有符合AECQ100的HVIC而言，當(dāng)Vb=15V時(shí)，該值通常為-9.8V。為了防止柵極驅(qū)動(dòng)不足，對(duì)每個(gè)循環(huán)周期都進(jìn)行欠壓鎖定操作。它們獨(dú)立于FAN7190_F085的高低驅(qū)動(dòng)器部分。

選擇設(shè)計(jì)方面

進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，柵極電路上的電阻網(wǎng)路必須是最小的，以便控制峰值柵極電流，提高瞬態(tài)免疫性，改善輻射，抑制諸如柵極振蕩等寄生效應(yīng)，在供電和省電模式下創(chuàng)造眾所周知的“關(guān)閉”條件。注意，寄生電感、大電流通路中的偏壓以及開(kāi)關(guān)瞬態(tài)都是很重要。產(chǎn)品資料和應(yīng)用指南均提供了柵極電流通路中針對(duì)導(dǎo)通和關(guān)斷周期的重要指導(dǎo)。

在HVIC中，接在Vs和中心負(fù)載點(diǎn)之間如串聯(lián)電阻一樣簡(jiǎn)單的元件可以提高瞬態(tài)免疫性。尤其要注意自舉電源以保護(hù)Vb瞬態(tài)，防止導(dǎo)致IC失效的過(guò)壓狀況。常見(jiàn)的一個(gè)錯(cuò)誤是根據(jù)充電時(shí)間、柵極導(dǎo)通峰值電流和導(dǎo)通狀態(tài)下的電流消耗選擇自舉電容的結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)。這里提供若干應(yīng)用指南可幫助設(shè)計(jì)人員為低邊和高邊驅(qū)動(dòng)電路選擇元件，并根據(jù)設(shè)計(jì)選擇HIVC自舉元件。

柵極驅(qū)動(dòng)器的電路模擬通常是由簡(jiǎn)單的行為模型完成的。理想電源可用于已定義的上升和下降時(shí)間，傳播延遲以及數(shù)據(jù)表中的其它關(guān)鍵特征。電流驅(qū)動(dòng)能力可使用串聯(lián)輸出電阻來(lái)模擬，選擇該電阻用于支持峰值柵極電流以及Vb/2時(shí)的輸出，如數(shù)據(jù)表所示。

幸運(yùn)的是，HEV/EV技術(shù)的發(fā)展為今天的設(shè)計(jì)人員提供豐富的知識(shí)和參考資料，這些參考資料在幾年前都并不存在。隨著多個(gè)OEM的出現(xiàn)，產(chǎn)生了新一代具有廣闊市場(chǎng)的高壓系統(tǒng)汽車(chē)，這里也提供一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在當(dāng)今的半導(dǎo)體行業(yè)中，通過(guò)客戶(hù)讓供應(yīng)商了解未來(lái)的功能需求。