簡(jiǎn)介

大聯(lián)大世平集團(tuán)基于 onsemi 的柵極驅(qū)動(dòng)器和 SiC 技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一款適用于 800V 車用電空調(diào)壓縮機(jī)的解決方案。在本文中，我將以世平集團(tuán)的 800V e-Compressor SiC 方案為例，深入解析其中采用的安森美(onsemi)柵極驅(qū)動(dòng)器 NCV57100 的核心特性及其應(yīng)用。

一、柵極驅(qū)動(dòng)器 NCV57100 特征與參數(shù)

安森美（onsemi）的柵極驅(qū)動(dòng)器 NCV57100 是一款隔離型單通道 IGBT/SiC 驅(qū)動(dòng)器，專為高性能應(yīng)用設(shè)計(jì)。該驅(qū)動(dòng)器集成了多項(xiàng)先進(jìn)功能，包括互補(bǔ)輸入、主動(dòng)米勒鉗位、過(guò)壓與欠壓保護(hù)、Desat 過(guò)流保護(hù)，以及 Fault 輸出和 Ready 輸出。此外，它還為 SiC 器件提供了獨(dú)立的高電平（OUTH）和低電平（OUTL）分立輸出功能，進(jìn)一步提升了驅(qū)動(dòng)的靈活性和可靠性。

1.1 引腳定義 & 參數(shù)

▲ 圖 1.1

VEE2A & VEE2 副邊電源的負(fù)電壓引腳,它們?cè)谛酒瑑?nèi)部是連接在一起的。

DESAT 檢測(cè) SiC 退飽和現(xiàn)象，當(dāng)發(fā)生 Desat 響應(yīng)時(shí)，IN±將進(jìn)入無(wú)響應(yīng)狀態(tài)（5us），并進(jìn)行 OUTL 軟關(guān)斷，防止 SiC 過(guò)壓擊穿。

GND2 副邊電源的 0V 參考點(diǎn)，與 VEE2、VDD2 的退耦電容選型應(yīng) 100nF + 至少10uF 電容器并聯(lián)。

OUTH 提供 VDD2 電源至 SiC 的柵極，最大灌電流 7A。

VDD2 副邊電源的正電壓引腳。

OUTL 提供 VEE2 電源至 SiC 的柵極，最大拉電流 7A。

CLAMP 米勒鉗位引腳，在 SiC 關(guān)斷期間，當(dāng)柵極超過(guò) VEE2+Vclamp-THR(2V) 時(shí)，CLAMP 引腳開(kāi)始動(dòng)作（內(nèi)部 N mos 打開(kāi)），回流路經(jīng)不再經(jīng)過(guò) OUTL ,在 Layout 時(shí)此引腳應(yīng)短而粗。

GND1 & GND1A 原邊電源的參考地，它們?cè)谛酒瑑?nèi)部是連接在一起的。

IN+ PWM 信號(hào)邏輯輸入正，內(nèi)部下拉 50KΩ 電阻。

IN- PWM 信號(hào)邏輯輸入負(fù)，內(nèi)部上拉 50kΩ 電阻，IN+、IN- 需提供一對(duì)互補(bǔ) PWM 信號(hào)。

RDY VDD1&VDD2 電源良好的指示引腳，內(nèi)部開(kāi)漏并上拉50 kΩ電阻，當(dāng)發(fā)生過(guò)欠壓時(shí) RDY 將輸出低，在三相半橋設(shè)計(jì)中可用邏輯與門將6路信號(hào)轉(zhuǎn)為1路輸出至 MCU。

FLT 故障輸出引腳，內(nèi)部開(kāi)漏并上拉 50kΩ 電阻,當(dāng) Deast 發(fā)生響應(yīng)時(shí)，F(xiàn)LT 引腳拉低，在三相半橋設(shè)計(jì)中可用邏輯或門將6路信號(hào)轉(zhuǎn)為1路輸出至 MCU。

RST 有兩種功能，第一種，用于使能（拉高）該器件開(kāi)始工作。第二種，用于測(cè)試 Desat 引腳響應(yīng)功能。

VDD1 原邊電源的正電壓引腳（3V 或 5V）, 退耦電容選型應(yīng) 100nF + 至少 1uF 電容器并聯(lián)。

二、世平 E-compressor SiC方案 onsemi NCV57100 柵極驅(qū)動(dòng)器關(guān)鍵特性應(yīng)用

2.1 VCLAMP米勒鉗位功能 & 原理

米勒鉗位的主要原理是防止功率管的誤導(dǎo)通。以半橋電路為例，下圖2.1 展示了無(wú)米勒鉗位和帶米勒鉗位情況下的柵極電壓變化示意圖。

當(dāng)上橋功率管（HS）導(dǎo)通時(shí)，由于電路中存在雜散電感，下橋功率管會(huì)受到一定的尖峰電壓過(guò)沖影響（序號(hào) ①，dv/dt 斜率越大，尖峰電壓越高）。這種現(xiàn)象通過(guò)功率管的米勒電容（Cmiller，序號(hào) ②）產(chǎn)生米勒電流，并流經(jīng)下橋功率管的柵極。

在沒(méi)有米勒鉗位功能的柵極驅(qū)動(dòng)器中，米勒電流的放電路徑是通過(guò)柵極電阻（RG）到 OUTL（序號(hào) ③）。這一過(guò)程中，米勒電流（Imiller）與柵極電阻（RG）相乘，會(huì)在柵極上形成一定的電壓積累，可能導(dǎo)致下橋功率管的誤導(dǎo)通（序號(hào) ④）。

相比之下，帶有 VCLAMP 米勒鉗位功能的柵極驅(qū)動(dòng)器（如 NCV57100）能夠在下橋功率管關(guān)斷時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)柵極電壓。當(dāng)檢測(cè)到柵極電壓超過(guò)設(shè)定閾值（VEE + Vclamp_THR）時(shí)，CLAMP 引腳會(huì)主動(dòng)拉低電壓，改變米勒電容的放電路徑，從而將柵極電壓鉗位在一定范圍內(nèi)（序號(hào)④）。這種設(shè)計(jì)有效避免了因米勒效應(yīng)引起的誤導(dǎo)通問(wèn)題，提高了電路的可靠性。

2.1 VCLAMP米勒鉗位功能 & 原理

▲ 圖 2.1

2.2 DESAT 退保和檢測(cè)功能 & 原理

用作當(dāng)外部發(fā)生短路（例如相與相短路）時(shí)，為了保護(hù)功率管免于因過(guò)流而燒毀的保護(hù)功能。如圖2.2 所示，當(dāng) OUTX 為高電平時(shí)，恒流源 IDESAT_CHG（500μA）開(kāi)始工作，通過(guò) SiC 形成回路，此時(shí) Cblank 的電荷不會(huì)積累。此時(shí)，Cblank 的電壓由以下部分組成：HV 二極管的導(dǎo)通電壓 + (IDESAT_CHG × Rs_DESAT) + (流經(jīng)功率管的 IDS × Rdson)。

當(dāng) SiC 發(fā)生過(guò)流短路時(shí)，DS 之間的電壓會(huì)迅速升高，恒流源開(kāi)始對(duì) Cblank 進(jìn)行充電。當(dāng) Cblank 的電壓達(dá)到 DESAT 閾值電壓時(shí)，OUTX 進(jìn)入軟關(guān)斷模式（關(guān)斷電流為 50mA），此時(shí) OUTX 的電壓會(huì)緩慢下降（因?yàn)殡s散電感的存在，高 di/dt 可能導(dǎo)致 SiC 過(guò)壓擊穿）。

2.2 DESAT 退保和檢測(cè)功能 & 原理

▲ 圖 2.2

同時(shí)，我們還可以通過(guò)調(diào)節(jié) Rs-DESAT 的阻值來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) SiC 管的提前關(guān)斷保護(hù)。例如，在世平 e-Compressor SiC 方案的測(cè)試案例中，通過(guò)利用 DESAT 引腳實(shí)現(xiàn)對(duì) SiC 管 70A 峰值電流的保護(hù)，如圖2.3所示。

2.2 DESAT 退保和檢測(cè)功能 & 原理

▲ 圖 2.3

三、總結(jié)

在本文中，我們介紹了 onsemi NCV5100 這款柵極驅(qū)動(dòng)器的特征與參數(shù)，并結(jié)合世平 800V e-Compressor SiC 方案應(yīng)用場(chǎng)景，幫助工程師在設(shè)計(jì) SiC 方案時(shí)選擇最優(yōu)的解決方案，以滿足不同應(yīng)用需求并提升系統(tǒng)性能。

四、參考文獻(xiàn)

(1) Onsemi NCV57100 Datasheet.pdf

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