深入解析 onsemi NCV51563 隔離式雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器

在電力電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，柵極驅(qū)動(dòng)器是驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 和 SiC MOSFET 等功率開關(guān)的關(guān)鍵組件。今天我們要詳細(xì)探討的是 onsemi 公司的 NCV51563 隔離式雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器，它具備諸多出色特性，適用于多種應(yīng)用場景。

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產(chǎn)品概述

NCV51563 是一款隔離式雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器，源極和漏極峰值電流分別可達(dá) 4.5 - A/9 - A。它專為快速開關(guān)而設(shè)計(jì)，能夠驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 和 SiC MOSFET 功率開關(guān)，并且具有短且匹配的傳播延遲。該驅(qū)動(dòng)器提供了 5 kVRMS 的內(nèi)部電流隔離，從輸入到每個(gè)輸出都有獨(dú)立的隔離，兩個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器之間也有內(nèi)部功能隔離，允許高達(dá) 1850 VDC 的工作電壓。它可以配置為兩個(gè)低端開關(guān)、兩個(gè)高端開關(guān)或半橋驅(qū)動(dòng)器，還具備可編程死區(qū)時(shí)間功能。

特性亮點(diǎn)

靈活的驅(qū)動(dòng)配置

NCV51563 支持雙低端、雙高端或半橋柵極驅(qū)動(dòng)配置，為不同的應(yīng)用需求提供了極大的靈活性。無論是在車載充電器、XEV DC - DC 轉(zhuǎn)換器、牽引逆變器還是充電站等應(yīng)用中，都能找到合適的使用方式。

強(qiáng)大的輸出電流能力

具有 4.5 - A 峰值源電流和 9 - A 峰值灌電流輸出能力，能夠?yàn)楣β书_關(guān)提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流，確保開關(guān)的快速切換和穩(wěn)定運(yùn)行。

獨(dú)立的 UVLO 保護(hù)

每個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器都有獨(dú)立的欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)功能，當(dāng)電源電壓低于設(shè)定的閾值時(shí)，驅(qū)動(dòng)器會自動(dòng)關(guān)閉輸出，保護(hù)功率開關(guān)免受欠壓損壞。輸出電源電壓范圍為 6.5 V 至 30 V，針對 MOSFET 和 SiC 分別提供了 5 - V、8 - V、13 - V 和 17 - V 的 UVLO 閾值選項(xiàng)。

高共模瞬態(tài)抗擾度

共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）> 200 V/ns，能夠有效抵抗共模干擾，保證在復(fù)雜電磁環(huán)境下的穩(wěn)定工作。

低傳播延遲和精確匹配

傳播延遲典型值為 36 ns，每通道最大延遲匹配為 ±5 ns，最大脈沖寬度失真為 ±5 ns，確保了信號的快速傳輸和精確控制。

用戶可編程功能

• 輸入邏輯可編程：支持單輸入或雙輸入模式，通過 ANB 引腳進(jìn)行選擇，還可以選擇使能或禁用模式。
• 死區(qū)時(shí)間可編程：用戶可以根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整死區(qū)時(shí)間，避免上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通，提高系統(tǒng)的安全性和效率。

安全認(rèn)證

該驅(qū)動(dòng)器通過了多項(xiàng)安全認(rèn)證，如 UL1577、VDE0884 - 11、GB4943.1 - 2011 和 IEC 62386 - 1 等，滿足汽車應(yīng)用等對安全性要求較高的場景。

引腳功能與連接

電氣特性

電源特性

• 輸入側(cè)電源：VDD 靜態(tài)電流在不同輸入條件下有所不同，典型值在 500 μA 至 10 mA 之間，工作電流在 5.0 mA 至 9.0 mA 之間。VDD 欠壓鎖定閾值正跳變?yōu)?2.7 V 至 2.9 V，負(fù)跳變?yōu)?2.6 V 至 2.8 V，滯回為 0.1 V。
• 輸出側(cè)電源：VCCA 和 VCCB 靜態(tài)電流每通道在 200 μA 至 600 μA 之間，工作電流每通道在 2.0 mA 至 5.5 mA 之間。不同 UVLO 版本的 VCCA 和 VCCB 欠壓鎖定閾值不同，如 5 - V UVLO 版本正跳變?yōu)?5.7 V 至 6.3 V，負(fù)跳變?yōu)?5.4 V 至 6.0 V，滯回為 0.3 V。

邏輯輸入特性

• INA、INB 和 ANB：輸入信號電壓范圍為 - 0.3 V 至 20 V，不同版本的使能或禁用邏輯閾值有所不同，如使能高電壓為 1.4 V 至 1.8 V，使能低電壓為 0.9 V 至 1.3 V，邏輯滯回為 0.5 V。
• ENA/DIS：輸入信號電壓范圍為 - 0.3 V 至 5.5 V，根據(jù)版本不同控制輸出通道的使能或禁用。

死區(qū)時(shí)間和重疊特性

• 最小死區(qū)時(shí)間在 DT 引腳開路時(shí)為 0 ns 至 29 ns，死區(qū)時(shí)間可以通過外部電阻 RDT 進(jìn)行調(diào)整，如 RDT = 20 kΩ 時(shí)為 145 ns 至 245 ns，RDT = 100 kΩ 時(shí)為 800 ns 至 1200 ns。
• 死區(qū)時(shí)間失配在不同 RDT 下有一定范圍，如 RDT = 20 kΩ 時(shí)為 - 30 ns 至 30 ns，RDT = 100 kΩ 時(shí)為 - 150 ns 至 150 ns。
• DT 閾值電壓用于 OUTA 和 OUTB 重疊，范圍為 0.85xVDD 至 0.95xVDD。

柵極驅(qū)動(dòng)特性

• OUTA 和 OUTB 源極峰值電流典型值為 4.5 A，漏極峰值電流典型值為 9.0 A。
• 高電平輸出電阻為 1.4 Ω 至 2.7 Ω，低電平輸出電阻為 0.5 Ω 至 1.0 Ω。
• 高電平輸出電壓降最大為 270 mV，低電平輸出電壓降最大為 100 mV。

動(dòng)態(tài)電氣特性

• 導(dǎo)通和關(guān)斷傳播延遲在不同電源電壓和負(fù)載電容下有所不同，典型值在 22 ns 至 58 ns 之間。
• 脈沖寬度失真為 - 5 ns 至 5 ns，通道間傳播延遲失配為 - 5 ns 至 5 ns。
• 上升時(shí)間和下降時(shí)間在不同電源電壓和負(fù)載電容下也有相應(yīng)的范圍，如 VCCA = VCCB = 12 V，CLOAD = 1.8 nF 時(shí)，上升時(shí)間為 9 ns 至 16 ns，下降時(shí)間為 8 ns 至 16 ns。

保護(hù)功能

欠壓鎖定保護(hù)

NCV51563 為輸入側(cè)的 VDD 和輸出側(cè)的 VCCA、VCCB 提供了欠壓鎖定保護(hù)功能。當(dāng)電源電壓低于設(shè)定的閾值時(shí)，驅(qū)動(dòng)器會關(guān)閉輸出，防止功率開關(guān)在欠壓狀態(tài)下工作。不同 UVLO 版本的閾值不同，如 5 - V UVLO 版本的 VCCA 和 VCCB 閾值典型值為 6.0 V，8 - V UVLO 版本為 8.7 V 等。

交叉導(dǎo)通保護(hù)

在半橋類型的死區(qū)時(shí)間控制模式下，交叉導(dǎo)通保護(hù)可以防止高端和低端開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，避免短路損壞。當(dāng) DT 引腳開路時(shí)，最小死區(qū)時(shí)間典型值為 10 ns，確保了上下橋臂之間有足夠的時(shí)間間隔。同時(shí)，當(dāng) DT 引腳連接到 VDD 時(shí)，允許一定的交叉導(dǎo)通，提供了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的靈活性。

應(yīng)用信息

電源供應(yīng)建議

在開關(guān)導(dǎo)通期間，柵極的輸出電流來自 VCCA 和 VCCB 電源引腳。因此，建議在 VCCA 和 VCCB 引腳處使用至少為柵極電容十倍且不小于 100 nF 的電容進(jìn)行旁路，并且電容應(yīng)盡可能靠近器件，以實(shí)現(xiàn)去耦。推薦使用一個(gè) 100 nF 的陶瓷表面貼裝電容靠近器件引腳，再并聯(lián)一個(gè)幾微法的表面貼裝電容。此外，為了提供不同的 VCCX 欠壓鎖定電壓選項(xiàng)，初始啟動(dòng)時(shí) VCCX 從 5 - V 到 6 - V 的上升時(shí)間應(yīng)至少為 16 μs。

輸入級設(shè)計(jì)

NCV51563 的輸入信號引腳（INA、INB、ANB 和 ENA/DIS）基于 TTL 兼容輸入閾值邏輯，與 VDD 電源電壓無關(guān)。邏輯電平兼容輸入的高、低閾值典型值分別為 1.6 V 和 1.1 V。輸入信號引腳阻抗典型值為 200 kΩ，INA、INB 和 ANB 引腳內(nèi)部下拉到 GND，ENA/DIS 引腳根據(jù)版本不同上拉到 VDD 或下拉到 GND。為了減少系統(tǒng)噪聲和地彈的影響，建議在輸入信號引腳上添加 RC 濾波器，RIN 范圍為 0 至 100 Ω，CIN 為 10 pF 至 100 pF。

輸出級設(shè)計(jì)

輸出驅(qū)動(dòng)級采用上拉和下拉結(jié)構(gòu)。上拉結(jié)構(gòu)由 PMOS 級組成，確保能夠?qū)⑤敵隼?VCC 電平；下拉結(jié)構(gòu)由 NMOS 器件組成。在 25°C 時(shí)，上拉和下拉開關(guān)的輸出阻抗能夠提供約 +4.5 A 和 - 9 A 的峰值電流，在 - 40°C 時(shí)，最小灌電流和源電流分別為 - 7 A 和 +2.6 A。

驅(qū)動(dòng)電流能力考慮

在設(shè)計(jì)時(shí)，峰值源電流和灌電流能力應(yīng)大于平均電流?？梢愿鶕?jù)所需的柵極電荷 QG 和開關(guān)時(shí)間 tSW - ON/OFF 來計(jì)算所需的驅(qū)動(dòng)電流額定值。導(dǎo)通時(shí)的源電流應(yīng)滿足 $I{SOURCE} \geq 1.5 × \frac{Q{G}}{t{SW.ON}}$，關(guān)斷時(shí)的灌電流應(yīng)滿足 $I{SINK} \geq 1.5 × \frac{Q{G}}{t{SW.OFF}}$。

柵極電阻考慮

柵極電阻的選擇可以減少寄生電感和電容引起的振鈴電壓，但會限制柵極驅(qū)動(dòng)器輸出的電流能力。導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)的電流能力可以通過公式 $I{SINK}=\frac{V{CC}-V{OL}}{R{G.OFF}}$ 和 $I{SOURCE}=\frac{V{CC}-V{OH}}{R{G.ON}}$ 計(jì)算。

輸出級負(fù)偏置應(yīng)用

對于 SiC MOSFET 的應(yīng)用，需要考慮其獨(dú)特的工作特性。柵極驅(qū)動(dòng)器需要能夠提供 +20 V 和 - 2 V 至 - 5 V 的負(fù)偏置，同時(shí)具有最小的輸出阻抗和高電流能力。應(yīng)用負(fù)偏置可以提高 SiC MOSFET 的抗噪聲能力，抑制意外導(dǎo)通?？梢酝ㄟ^使用兩個(gè)隔離偏置電源或在隔離電源上使用齊納二極管來實(shí)現(xiàn)負(fù)偏置。

PCB 布局指南

元件放置

• 盡量縮短輸入/輸出走線，減少寄生電感和電容的影響，避免使用過孔以保持低信號路徑電感。
• 電源旁路電容和柵極電阻應(yīng)盡可能靠近柵極驅(qū)動(dòng)器放置，以提高去耦效果。
• 柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)靠近開關(guān)器件，減少走線電感，避免輸出振鈴。

接地考慮

在高速信號層下方設(shè)置實(shí)心接地平面，在 VSSA 和 VSSB 引腳旁邊設(shè)置實(shí)心接地平面，并使用多個(gè)過孔連接，以減少寄生電感，降低輸出信號的振鈴。

高壓隔離考慮

為了確保初級和次級側(cè)之間的隔離性能，不要在驅(qū)動(dòng)器器件下方放置任何 PCB 走線或銅箔。建議在 PCB 上設(shè)置切口，以防止可能影響 NCV51563 隔離性能的污染。

總結(jié)

NCV51563 隔離式雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器憑借其靈活的配置、強(qiáng)大的輸出能力、豐富的保護(hù)功能和出色的電氣特性，成為了驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 和 SiC MOSFET 的理想選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的需求合理選擇參數(shù)，并遵循 PCB 布局指南，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。你在使用類似柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。