栅极驱动器及其纳芯微隔离应用方案介绍

一、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：

• 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。

• 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。

• 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。

• 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，C_GS, C_GD，C_DS。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C_GS充电和C_GD放电。

图一：功率器件开关过程图示

• (t₀-t₁)阶段：栅极电流给 C_GS充电，V_GS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：V_GS电压升高到大于栅极阈值电压V_th，功率器件开始导通，I_DS电流随着V_GS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C_GD放电，V_DS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C_GS充电， V_GS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C_GS放电和对C_GD充电。

• (t₀-t₁)阶段：栅极电流主要给 C_GS放电，V_GS电压逐渐减小。

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

• (t2-t3)阶段：I_DS电流开始降低，当V_GS降低至V_th时，I_DS降为零，功率器件完全关断。

• (t3-t4)阶段：栅极电流继续给C_GS放电，V_GS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。

2. 
   

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